多窃听者场景下TASP/MRC系统的物理层安全性能分析

为评估信道预测发射天线选择(TASP)/接收最大比合并(MRC)联合收发分集无线通信系统在瑞利块衰落信道条件和多窃听者场景下的物理层安全性能,针对基于最小均方误差信道预测器的TASP/MRC无线通信系统,推导其非零安全容量概率、安全中断概率以及渐近安全中断概率的精确解析表达式。在此基础上,分析窃听者数目、归一化延时、收发天线数等参数对系统物理层安全性能的影响。数值计算与仿真结果表明,在TASP/MRC系统中,减小归一化延时及窃听者数量或增加合法接收端天线数能够提高物理层安全性能,在高信噪比情况下,物理层安全分集增益等于合法接收端天线数,而与窃听者数目及其收发天线数无关。     

无线物理层信息安全探析

在无线传输的过程中,通信的信号往往容易被第三方窃听,为了防止这类情况出现,利用多波束发射技术可以减少的人工噪声干扰,能够物理层安全通信信息的安全,在信号的发送端将信号和人工噪声同时发送,通过天线加权调整信息的方向图主瓣的接收方位,能够有效的消除噪声干扰。     

多波束卫星通信系统中的物理层安全传输算法

为了提高卫星通信系统的安全性,将物理层安全技术应用到多波束卫星通信系统下行传输中。首先,建立了多波束卫星物理层安全通信系统模型。随后,以系统最大化保密和速率为目标,介绍了迫零(Zero-Forcing,ZF)和增强信漏噪比(Enhanced Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio,E-SLNR)两种波束成形算法。仿真结果表明,统一考虑了波束间干扰和窃听者信号泄漏影响的E-SLNR波束成形算法不仅不受限于天线数目,而且相比ZF算法获得了更好的安全性能。     

无线携能通信系统中基于人工噪声的波束成形算法研究

在存在多天线窃听者的情况下,研究了无线携能通信系统的物理层安全传输问题。传统上,人工噪声方案是一种保证物理层安全通信的有效策略。因此,提出了一种人工噪声辅助的波束成形算法,以提高信息与能量联合传输的安全性。该算法在满足多项约束（接收端能量采集门限、信息泄漏控制指标和发送功率）的基础上,通过优化波束成形预编码矩阵和人工噪声实现无线携能通信系统的物理层安全通信。在数学上该算法是一个非凸优化问题,不易求解。为此,首先引入最小均方误差接收算法和连续凸近似方法将其转换为凸的二阶锥规划子问题,然后对该凸问题进行迭代求解。仿真结果表明,该算法能够在保证窃听者无法解码信息的同时,实现信息和能量的联合传输,并且算法收敛速度快。     

多天线无线传感器移动通信网络的物理层安全性能

随着第五代移动通信技术的发展,无线传感器通信网络成为学术界研究的热点,但是由于信道存在开放性、无线终端与网络构架存在移动性和多样性的特征,使得无线传感器通信网络的物理层安全成为一个亟待解决的问题,在2￣Nakagami信道下,基于Wyner窃听模型,研究了基于天线选择算法的无线传感器通信系统安全性能。针对最佳天线选择算法和次最佳 天线选择算法,分别推导了安全中断概率SOP(Secrecy Outage Probability)的精确表达式。对于最佳天线选择算法,又推导了其SOP下界的闭合表达式,然后不同条件下的安全性能,通过Monte-Carlo仿真得到了验证,通过仿真结果得出:理论值很好的拟合了Monte-Carlo仿真值,其正确性得到了验证,增加发射天线数可以很好的改善系统的SOP性能。     

信道预测天线选择的空时分组码物理层安全增强

针对延时发射天线选择(TASD)/正交空时分组码(OSTBC)无线通信系统,基于最小均方误差(MMSE)信道预测器,提出一种系统物理层安全增强方案。将MMSE信道预测方案应用于TASD/OSTBC无线通信系统,构成信道预测发射天线选择(TASP)/OSTBC无线通信系统,并对其推导瑞利块衰落信道上安全中断概率、非零安全容量概率以及渐近安全中断概率的解析表达式。在此基础上,分析主信道收发天线数、窃听者天线数和信道的归一化延时等参数对系统物理层安全性能的影响。数值计算和仿真结果表明,采用TASP可以提高OSTBC编码无线通信系统的物理层安全性能。     

一种基于人工噪声的MISO相关信道物理层安全方法

现有基于人工噪声的物理层安全方法都假设信道是相互独立的,但是多天线通信系统中存在的信道空间相关性会降低系统安全容量。针对这一问题,设计了一种基于人工噪声的多入单出(MISO)相关信道物理层安全方法。通过合法用户信道参数的协方差矩阵得到发送端的信道相关矩阵,利用该矩阵与合法用户信道参数乘积的零空间作为人工噪声的生成空间,随机生成人工噪声对窃听方实现干扰。仿真结果表明,在存在信道空间相关性的情况下,本方法比现有方法的平均系统安全容量提高了约0.5 bit/s/Hz。     

基于时域参考的物理层安全传输方案

在SIMO-OFDM通信系统中, 基于发送端多天线冗余的物理层安全算法不再适用。针对这一问题, 提出一种基于时域参考的物理层安全传输方案。合法接收者在各个子载波上构造多天线随机加权向量, 使构造的加权向量在合法信道上的投影等于随OFDM符号快变的时域参考变量, 发送端利用前一时刻接收端构造的参考变量对当前时刻的发送调制符号进行相位旋转。时域参考变量的随机变化, 扰乱了窃听者的接收信号星座图, 导致其无法正确解调。而合法用户能够利用之前构造的多天线加权向量正确解调接收信号。安全性分析和仿真结果表明, 当天线数为8、信噪比为10 dB时, 合法用户误比特率达到10^-4, 而窃听者始终无法正确解调。     

混合窃听环境下多波束符号级安全传输方法

针对毫米波在混合窃听无线通信系统面临的安全问题,基于阵列收发结构,提出了一种有效的无线物理层安全传输方法.在发射端采用多波束符号级方向调制、人工噪声(artificial noise,AN)辅助、天线子集方法,以及合法用户(legitimate user,LU)采用阵列接收确保混合窃听环境下的安全可靠传输.考虑窃听者(...     

平面大规模天线阵列的窃听检测方案

物理层安全机制可以为无线通信提供有效的保密机制,为后期保密通信降低系统复杂度。提出了一种基于大规模平面天线阵列的物理层安全机制,即主动窃听的检测方案。该方案针对时分双工模式下的莱斯信道模型,仅在假设合法用户莱斯因子和基站噪声功率已知的情况下,即可有效检测窃听用户。仿真结果表明,所提出的检测方案性能随着天线个数、莱斯因子的增加而提高。此外,该方案的性能不随用户的位置而改变,可在三维空间全方位地检测窃听。     

物理层安全专栏序言(中英文)

物理层安全技术特别是无线物理层安全技术,利用通信系统物理层的信息为通信提供安全保护,在网络安全、电子对抗中有着广泛的应用.它利设备指纹对设备身份进行识别,进而实施接入控制;利用信道特征为通信双方建立对称密钥,进而保护传输数据的安全;或者通过加大合法信道与窃听信道的差异,使得敌手的窃听变得更加困难.     

MIMO技术在无线通信领域的应用研究

在第4代移动通信技术（4G）飞速发展的今天,MIMO（MultipleInputMultipleOutput,多输入多输出）技术由于其在通信领域的先天技术优势,被广泛的应用于无线通信技术中。文章从MIMO从无线通信技术的发展引出MIMO的概念,详细介绍了MIMO的系统原理、关键技术应用研究、发展前景等。     

基于FPGA的MC-CDMA基带系统的实现

MIMO技术、多载波技术与链路自适应技术是未来移动通信系统最值得关注的几种物理层技术。MIMO技术在提高系统频谱利用率方面性能卓越,多载波CDMA技术则能有效地对抗频率选择性衰落,将MIMO技术与MC-CDMA方案相结合,构成空域复用MC-CDMA系统,将在很大程度上提高系统的性能和容量,更有效地提高信息传输速率,完成基于FPGA的空域复用MIMOMC一CDMA系统的基带信号处理平台的设计与实现的任务[1]。本文采用硬件仿真模型模拟MIMO信道的方法,实现了对系统的联合调试与功能验证,与软件仿真结果进行比较,性能良好。     

MIMO关键技术及最新应用进展

MIMO系统是目前通信领域研究与应用的热点之一。首先剖析了MIMO的关键技术．其次给出了MIMO国际最新研究成果及其实际应用。     

无线通信物理层安全技术研究

无线通信天然的多径时变的特性,为其在物理层进行保密传输提供了可能性。文章分析了物理层安全技术的技术背景和研究现状,对于其理论基础,以及关键技术进行了重点的介绍,并对比分析了其中的一些技术方案。近年来,物理层安全技术已经逐步成为研究的热点,在编码技术,协作干扰,密钥产生等研究方向上已经有了相当程度的进展,正在逐步从理论走向应用。     

一种基于PUF的物理层安全认证方法

传统无线通信的认证主要依赖于上层加密机制,无法保证系统处理的实时性与物理层的安全性。文章设计了一种基于物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)进行物理层安全认证的方案,利用硬件固有的激励-响应对(Chalenge-Response Pair,CRP)的唯一性与发送信息的随机性实时生成验证标签,在接收端通过比较接收与生成的标签来识别接收信号与其发射端,为物理层的信息安全提供有效保护。该方法不需要复杂的密码算法,减小了通信过程中的计算量。仿真结果表明,该方法有较高的实用价值。     

基于MIMO多跳认知无线电网络的跨层优化研究

多输入多输出（MIMO）技术是突破香农（Shannon）容量限制的一项有效手段。而认知无线电（CR）是近几年的热点研究领域,它能够极大的提高网络资源使用效率。结合这两种技术,研究了基于MIMO的认知无线网络的跨层优化：路由选择、能量分配和带宽分配。采用对偶分解算法将主问题分解为网络层和物理层子问题,并提出了交替更新算法有效解决了物理层子问题。     

一种自适应跨层空间子信道分配算法——基于多用户MIMO／OFDM系统

MIMO／OFDM是未来宽带无线通信接口的有效架构。本文提出了一种自适应跨层空间子信道分配算法，在多用户MIMO／OFDM系统中，联合链路层截短ARQ（T-ARQ）技术，以获取物理层最大的系统吞吐量为目标，推导了子载波分配准则，并给出了相应的算法流程。仿真结果表明，该算法具有良好的性能，有效地提高了系统的传输速率。     

基于信道特征和随机插值的物理层算法

分析无线通信系统当下的安全现状及保护物理层安全的必要性,结合无线信道的密钥生成方法,提出一种基于正交频分复用（OFDM）系统并行调制特点的随机插值的物理层安全算法。该算法的核心思想是在共享密钥的控制下,通过对快速傅里叶逆变换（IFFT）后输出的数据符号进行随机插值,将原OFDM符号重构,使得非法用户难以正确解调信号,达到保护传输信息安全的目的。该算法基于物理层加密,可更好地保护空中接口和无线链路,并行加密的过程也降低了通信系统实现的复杂度。通过理论分析及仿真实验表明,新算法可有效对抗各种非法攻击,同时对通信系统的固有性能影响较小,且能较好地适应多径信道,表现出不错的抗多径衰落能力。