基于自由度分析的物理層安全通信理論和方法研究.pdf

1、如何在保證保密數(shù)據(jù)不被竊聽者竊取的同時，以更大的傳輸速率傳輸保密數(shù)據(jù)，一直是物理層安全(Physical Layer Security，PHY)傳輸中最受關注的問題。對于給定的多天線輸入多天線輸出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)竊聽信道，PHY傳輸?shù)陌踩萘筷P于輸入信號協(xié)方差矩陣的閉合表達式已經明朗。然而，如何優(yōu)化輸入信號協(xié)方差矩陣，從而獲得最大可達安全傳輸速率，卻還面臨著許多的理論難題：1)安全傳輸速率關

2、于輸入信號協(xié)方差矩陣的優(yōu)化問題是非凸的，很難找到可解析分析的方法，確切的安全容量值仍然是一個開放性問題。2)由于人工噪聲的引入，噪聲信號協(xié)方差矩陣與信息信號協(xié)方差矩陣相互耦合，這使得安全容量的解析分析變得更加困難。3)在更加復雜的應用場景下，即保密通信與公用通信融合的場景、雙向通信場景、Active-竊聽場景，如何洞察PHY傳輸技術的內在機理，突破現(xiàn)有的 PHY傳輸方法，解決現(xiàn)有 PHY傳輸技術中存在的頻譜利用率低、計算復雜度高及魯棒性

3、差等問題，具有極強的研究意義及應用價值。
　　針對以上問題，本文以支持更高的安全傳輸速率為核心目標，分析最大可達安全傳輸速率與通信網絡中各節(jié)點參數(shù)之間的函數(shù)關系，提出能夠支持更高安全傳輸速率的物理層安全傳輸方案?？梢灶A見，本文的研究成果可以發(fā)展和完善物理層安全傳輸理論框架、技術方案和算法，并推動物理層安全傳輸關鍵技術在未來無線通信系統(tǒng)中的應用。主要工作如下：
　　1)針對安全速率關于輸入協(xié)方差矩陣非凸的問題，本文提出了以安全

4、自由度為度量指標。安全自由度，代表高信噪比下可達安全傳輸速率隨功率增長的斜率，因此具有明顯的物理意義；此外，由于可達安全自由度與系統(tǒng)工作功率無關，其解析結果相較于安全速率的分析而言，要簡單一些。針對不同的應用場景，本文研究了可達安全自由度或者可達安全自由度域，與系統(tǒng)各節(jié)點天線數(shù)目之間的函數(shù)關系。此函數(shù)關系揭示了可達安全傳輸速率或者可達安全傳輸速率域與系統(tǒng)各參數(shù)之間的解析關系，對系統(tǒng)的參數(shù)設計具有指導意義。
　　2)針對噪聲信號協(xié)方

5、差矩陣與信息信號協(xié)方差矩陣相互耦合的問題，在最大可達安全自由度不變的前提下，通過縮小預編碼矩陣的定義域，降低優(yōu)化設計預編碼矩陣的困難。具體的，本文考慮了應用額外輔助節(jié)點發(fā)送人工噪聲的四節(jié)點抗竊聽場景，所有的節(jié)點均配置了多根天線。首先，本文提出了一種啟發(fā)式的安全傳輸方案：信息信號和噪聲信號對齊在竊聽者的同一個接收信號子空間里，且分散在合法者不同的接收信號子空間里。接著，本文證明了滿足安全傳輸方案約束的預編碼矩陣能夠實現(xiàn)最大可達安全自由度。

6、在此安全傳輸方案的基礎上，本文提出了閉式的預編碼矩陣設計方案，并給出了系統(tǒng)最大可達安全自由度與系統(tǒng)各節(jié)點天線數(shù)目之間的函數(shù)關系。
　　3)針對保密通信網絡與公用通信網絡共存融合的問題，本文研究了基于干擾協(xié)調的PHY傳輸技術。具體的，本文考慮保密通信網絡與公用通信網絡共存的場景，利用來自公用網絡的共信道干擾替代人工噪聲，達到提高安全傳輸速率的目的。通過將四節(jié)點抗竊聽信道中所提的安全傳輸方案進行擴展，本文提供了實現(xiàn)自由度域外邊界上自由

7、度對的預編碼矩陣的設計方案；給出了最大可達安全自由度域與各節(jié)點天線數(shù)目之間的函數(shù)關系。此函數(shù)關系從理論上明確了公用網絡與保密通信網絡可達安全傳輸速率之間的折中關系。仿真結果證實了，隨著兩個網絡之間距離的拉近，雖然公用網絡可支持的傳輸速率有所下降，但是下降數(shù)值小于保密通信網絡可支持的安全傳輸速率的增加值。并且，兩個網絡之間距離的拉近，能夠對抗由于信道估計誤差帶來的安全傳輸速率的下降。
　　4)針對經典竊聽信道中，安全容量受限的問題，

8、本文研究了一種新的通信結構——雙向通信，旨在提供安全服務的同時，提供更高的安全傳輸速率。具體的，本文考慮通信雙方均以全雙工模式工作，即，在接收信號的同時，發(fā)送信息信號給對方。和保密通信網絡與公用通信網絡共存的場景相比，此時竊聽者對通信雙方發(fā)送的信息信號都感興趣。因此，可達安全傳輸速率域關于輸入信號協(xié)方差矩陣的優(yōu)化設計更加困難。通過對四節(jié)點抗竊聽信道中所提的安全傳輸方案進行擴展，本文給出了預編碼矩陣的設計方案；同時本文給出了可達和安全自由

9、度關于各節(jié)點天線數(shù)目之間的函數(shù)關系。仿真結果證實了，所提方案不僅計算復雜度低，而且能夠支持更高的安全傳輸速率，對自干擾及竊聽者的位置均具有魯棒特性。
　　5)針對 Active-竊聽(竊聽者根據(jù)實際情況決定是否發(fā)送干擾信號攻擊、阻止當前通信過程)的問題，本文研究了對應的PHY傳輸技術。具體的，本文提出合法接收端僅用一部分天線接收信息信號，另外一部分天線發(fā)送人工噪聲，惡化竊聽信道質量；并且，以最大化可達安全自由度為目標，優(yōu)化了合法接