一种基于零陷导向随机跳空的物理层安全方法

使用跳空可以解决基于人工噪声的物理层安全方法信号空间分布恒定、易被窃听的问题,但是跳空图案泄露会导致系统安全性能失效。针对这一问题,提出一种基于零陷导向随机跳空的物理层安全方法。合法用户通过随机切换接收天线实现跳空,同时发送方通过波束成形对下一周期激活天线形成零陷,从而与合法用户实时约定跳空图案。由于主信道和窃听信道的差异性,窃听用户无法获取跳空图案。仿真结果表明,由于未知天线跳变规律,窃听者即使采用MUSIC-like方法进行窃听,仍无法实现干扰抑制,在BPSK调制方式下,其误码率接近0.5。     

空间调制系统中的人工噪声抗窃听安全传输方案

提出一种空间调制系统中利用人工噪声的物理层安全方案。通过发送天线序号和幅相调制符号来传输信息,而未发射幅相调制符号的天线发送位于合法信道零空间上的人工噪声,不影响合法接收者的信号检测,但干扰窃听者的信号检测过程。对系统保密速率、合法接收者和窃听者的误比特率上界进行理论分析,并进行仿真验证。理论和仿真结果表明合法接收者的误特率明显低于窃听者,误比特率在0.5附近,能获得可观的系统保密传输速率。     

广义空间调制系统中的物理层抗窃听传输方案

为实现信息的保密传输,提出一种基于广义空间调制技术的物理层安全方案.发射端根据合法信道的状态信息对信号进行预处理,使合法接收者接收到来自各激活发射天线的信号相位对齐,并对不同激活天线组合的信号进行不同的相位旋转,提高合法接收者的接收性能.而窃听者接收到的信号相位仍然为随机分布,接收性能远低于合法接收者,有效地保护通过天线索引传输的信息.发送端同时发送指向窃听者的人工噪声,保护通过幅相调制携带的信息不被窃听.对保密容量、误码性能和信号与人工噪声的功率分配进行理论分析,仿真结果表明,通过合理分配功率,合法接收者的误码性能明显优于窃听者,能获得可观的系统保密容量.     

一种调制符号相位随机扰动的物理层安全方法

从信号调制的角度提出了一种调制符号相位随机扰动的物理层安全方法.该方法通过合法信道增益与随机扰动幅度的乘积,控制对调制符号的相位扰动范围,使得合法接收者在相位扰动下仍具有稳定的抗噪声性能,而窃听者由于窃听信道状态信息不同于合法信道,相位扰动更加剧烈,解调错误概率高于合法接收者.仿真结果表明：当窃听者未知合法信道状态信息时,文章方法相比直接传输的方法,安全间隙缩小了30.5dB;当窃听者能够获得合法信道相位信息时,文章方法仍能形成对窃听者接收性能的恶化,安全间隙缩小了11dB.     

基于广义空移键控调制的物理层安全方案

提出一种基于广义空移键控调制的多输入单输出系统中的物理层安全传输方案。发射端利用合法接收者反馈的信道信息对发送信号进行预处理,使合法接收者接收的来自各发射天线信号的相位对齐;同时进行相位旋转来增加星座点间的距离,从而提高合法接收者的接收性能,降低误码率。而窃听者接收到的各信号的相位仍然为随机分布,接收性能明显低于合法接收者。对合法接收者和窃听者的误比特率和保密容量进行了理论和仿真分析。理论和仿真结果表明,所提方案能明显降低合法接收者的误比特率,即使在合法信道性能比窃听信道性能要差的情况下,系统仍然能实现保密传输。     

一种智能超表面辅助的非视距安全通信方法

针对发射机与期望用户之间存在阻挡时的非视距物理层安全传输问题,提出了智能超表面辅助的阵列天线物理层安全通信方法。首先,建立智能超表面阵列天线系统模型,通过阵列天线直传链路和智能超表面反射链路完成无线系统的安全通信。随后,针对窃听者被动接收信号,无法确定窃听者具体位置的情况,提出了在确保期望用户可靠接收信号的同时以最大化人工噪声干扰功率为目标联合优化发射波束成形矢量和智能超表面反射系数矩阵的优化方法。最后,分析优化问题,并利用辅助变量和半定松弛等方法得到最优解,达到抑制窃听者接收信号的同时,确保期望用户可靠和安全通信的目的。仿真实验证实,智能超表面辅助的物理层安全通信方法提高了非视距场景下信息传输的可靠性与安全性。     

基于随机波束成型的MISO OFDMA物理层安全算法

在多用户非互易性信道场景下,基于信道状态信息的物理层安全算法需要接收端反馈大量的信道状态信息,导致系统保密吞吐量降低。针对这一问题,文章设计了一种基于随机波束成型的MISO-OFDMA物理层安全算法。在用户选择阶段,发送端依次发送随机生成的正交波束,每个接收用户反馈各个子载波上信干噪比（SINR）最大的波束索引,以减少反馈数据量;发送端将子载波分配给SINR最大的接收用户。在加密传输阶段,发送端在SINR最大的波束上发送有用信号,保证相应合法用户的正常通信;在其余波束上发送人工噪声,扰乱窃听者的监听。性能分析和仿真结果表明：当天线数为16,合法用户数为150时,相对于人工噪声方法,所提算法的保密吞吐量提高了2bit／s。     

双向多天线中继系统中安全速率受限的功率最小化

针对双向多天线中继系统中存在多个单天线窃听者的场景,在保证两个源节点安全速率情况下,提出了两种中继节点发送功率最小化方案：人工噪声辅助的波束成形（artificial noise aided beamforming, ANAB）方案和零空间波束成形（null space beamforming, NSB）方案。ANAB采用半定松弛（semidefinite relaxation, SDR）技术和连续的凸估计（successive convex approximation, SCA）算法,得到局部最优的波束成形和人工噪声协方差矩阵。考虑到中继节点的天线个数大于窃听节点个数,设计了低复杂度NSB方案,在等效窃听信道矩阵的零空间中发送保密信息,通过求解一个SDP问题得到波束成形解。仿真结果表明,所提的安全发送方法可以有效地降低中继节点的发送功率。     

基于协作功率被动调整的 MIMO 系统安全容量算法

在由一个发射者、一个合法接收者、一个窃听者以及一个协作者组成的高斯MIMO系统窃听信道,发射者发射保密消息给合法接收者,同时协作者发射独立于保密消息信号的协作干扰信号,以此来干扰非法接收者对保密消息的接收。利用正定矩阵的性质获得了基于功率被动调整的协作干扰信号协方差矩阵的次优解,随后通过将高斯干扰信号看作高斯背景噪声,更新了发射者的发射协方差矩阵。仿真结果表明,该算法能够进一步提高MIMO系统的安全容量。     

采用PSK调制的安全传输中人工噪声的优化利用

在采用波束赋形和人工噪声的物理层安全传输系统中,利用人工噪声提高合法接收端的性能.发送端根据发送符号和信道系数判断人工噪声的分量是否对合法接收端的信号检测有益,并由此将人工噪声分为有益噪声和普通噪声,分别进行不同的波束赋形处理.在不改变人工噪声干扰窃听端接收的前提下,利用人工噪声提高合法接收端的接收性能.对采用相移键控(PSK)调制时的误码性能和保密容量进行理论分析和仿真,结果显示,与传统的人工噪声方案相比,所提出的人工噪声方案可提高合法接收端的性能,改善保密容量.     

基于多RIS优化的空间调制安全传输映射策略

为保证信号传输的抗窃听安全,提出了一种可重构智能表面( RIS)辅助空间调制的安全传输映射策略。 首先,发射端通过与 RIS 间的瞬时信道质量选取不同空间调制和星座调制的映射模式提升窃听难度。 为保证合法接收者的保密速率和误码率,以最大化合法接收者的信噪比为目标,优化 RIS 的位置和相移。 同时,利用梯度投影法解决 RIS 相移的非凸恒模约束问题。 仿真结果表明,在较低信噪比下,所提安全传输策略能满足接收者的性能。在瞬时映射模式下,窃听者无法正确解码窃听信息,有效地保证了系统的抗窃听安全。     

Analysis of physical layer security performance for satellite communication systems

Due to the openness of the wireless medium and construction of the space-ground integrated information network,satellite communication (SATCOM) systems are facing severe security challenges.Physical layer security technology can guarantee secure satellite communication and effectively prevent the channel from being eavesdropped.By taking into account the space-ground integrated information network,a security performance analysis framework is developed for the SATCOM system with the existence of a ground eavesdropper and a satellite eavesdropper.Based on the Rayleigh fading channel and Shadowed-Rician fading channel,eavesdropping models of two eavesdroppers are provided,respectively.Regarding the non-collusion and collusion strategies employed at eavesdroppers,the exact expressions for average secrecy capacity (ASC) and secrecy outage probability (SOP) are derived under the two strategies,respectively.Simulation results show that a growing transmit power can improve ASC with SOP unchanged at the same time.Reducing the signal noise ratio at the satellite eavesdropper can provide a better secrecy performance for the SATCOM system than decreasing the signal noise ratio at the ground eavesdropper.     

全双工系统中基于神经网络的自干扰消除方案

针对合法接收端采用全双工模式时的自干扰消除问题,提出了一种在单输入多输出系统中,利用神经网络实现全双工合法接收端信号合并和自干扰消除的方案.合法接收端在接收信号的同时发送人工噪声干扰窃听者.设计2个神经网络,一个用于接收信号的合并,另一个对接收信号中的自干扰进行对消.对合法接收端和窃听端的误比特率、可达保密速率等性能进行仿真的结果表明,信号合并和自干扰消除方案可行并有效,在适当配置接收端发射天线和接收天线数量后,可获得可观的系统保密速率.