有限字符输入系统的物理层安全传输条件

针对无线数字通信系统中人工噪声方法可被多天线窃听者破解的问题,该文提出有限字符输入下物理层安全传输的一个充分条件,并以此为指导设计了一种类符号人工噪声方法。分析表明,人工噪声方法下,有限字符输入信号和窃听者无噪接收信号之间的等效信道是一个离散有噪无损信道(Discrete Noisy Lossless Channel, DNLC)。由于DNLC输入信号的可逆性为窃密提供了必要条件,窃听者通过增加天线可使窃听信道容量达到合法用户的信道容量上限,致使系统的保密互信息为零,因此破坏输入信号的可逆性是有限字符输入下物理层安全传输的一个充分条件。类符号人工噪声方法满足这一充分条件,可以保证物理层安全传输,仿真结果也表明了该方法的有效性。     

信道估计误差下的深度人工噪声预编码生成方法

基于人工噪声的物理层安全通信系统，传统人工噪声通常采用推导得到的闭式表达式或最优化方法数值求解生成，要求输入准确的传输信道矩阵信息，才能保证通信系统的保密性。但实际环境中存在的信道估计误差会导致人工噪声预编码误差，从而降低通信系统保密容量。为此提出一种基于深度学习的人工噪声预编码生成方法，通过将有误差的信道估计信息作为输入，与无估计误差情况下传统数值求解得到的预编码矩阵进行拟合，训练得到可适应信道估计误差的深度神经网络。仿真表明，该方法在信道估计有误差时的保密性能与鲁棒性优于传统人工噪声生成系统；相比于其他深度学习方法在物理层安全的应用，所提方法具有更快的收敛速度。     

中继网络中不准确信道状态信息下抗多窃听者的物理层安全方案

该文研究存在多个相互勾结的单天线窃听者的多中继传输系统中,采用零空间人工噪声和放大转发的中继波束赋形的物理层安全传输方案。在中继窃听端的信道状态信息不准确的情况下,基于半定规划理论,对中继的波束赋形加权矩阵和人工噪声协方差矩阵进行联合优化,有效减少相互勾结的多个窃听者所获得的信息量,显著提高系统保密容量,是一种具有良好鲁棒性的物理层安全传输方案。仿真结果显示方案具有良好的性能。     

面向物理层安全的广义随机空间调制技术

针对窃听信道质量优于合法信道质量时的物理层安全传输问题,提出了一种广义随机空间调制技术。该技术利用合法信道的瞬时状态信息随机扰乱比特到符号的映射关系,实现物理层安全传输。首先给出了广义随机空间调制系统的收发机结构。然后计算了合法接收用户的误码率上界和系统保密容量。从误码率上界的表达式得出,所提广义随机空间调制系统可靠性与传统广义空间调制相同,由此可在不损失系统可靠性的前提下实现安全传输。保密容量的计算表明,安全通信速率不随窃听方天线增多而下降,因此能抵抗具备海量天线的窃听者。最后用仿真验证理论分析的准确性和所提方案的有效性。     

物理层安全的随机波束成型传输算法

针对传统信息论物理层安全研究中,对合法用户信道质量要求较高的问题,文中提出随机波束成型的物理层安全传输方法。该方法通过在主信道特征向量的垂直方向构造人工随机波束成型信道,使得合法用户与窃听方信道传输特征的差异性转化为信道质量的差异,最终得到正的保密容量。为保证算法的完备性,文章解决了三方面问题:1）给出随机波束成型的空间构造方法;2）随机波束成型方法的保密容量和最佳信源分布;3）人工随机信道的构造方法。最后针对采用随机波束成型算法的发送分集系统,通过设计、仿真其噪声发生和功率分配方案,进一步说明即使在合法用户信道质量差的情况下,随机波束成型传输算法也可获得保密传输容量。      

一种基于多波束与人工噪声的物理层安全通信方法

为了提高无线传输过程中通信信息被窃听的难度,提出了一种采用多波束发射人工噪声干扰来实现物理层安全传输的方法.发送端同时发送通信信息和两组人工噪声,通过天线加权系数调整使通信信息的方向图主瓣对准期望方位,而人工噪声的方向图在期望方位形成零陷.仿真结果表明,该方法可实现在空间某一期望方位的可靠通信,而偏离该方位的接收机误码...     

人工噪声辅助的物理层安全信号峰均功率比减低算法

人工噪声辅助的物理层安全通信系统采用人工噪声破坏窃听信道的方式提升系统安全信道容量是近年来物理层安全通信领域研究的经典系统模型之一。该文针对这一模型中发射信号存在高峰均功率比问题,利用噪声子空间提供的冗余度提出一种基于噪声子空间功率分配的峰均功率比降低算法。该算法通过分式规划、DC规划以及二次非凸等式约束松弛将非凸的峰均功率比优化问题转化为一系列的凸问题迭代求解。仿真结果表明在系统放大器存在一定线性范围的约束下,该文提出的算法能够有效降低人工噪声辅助的物理层安全通信系统发射信号的峰均功率比问题,达到提高系统中合法用户的通信性能的目的。     

人工噪声辅助安全传输中的反馈比特数研究人工噪声辅助安全传输中的反馈比特数研究

本文主要研究了人工噪声辅助的多输入单输出（Multiple-input Single-output, MISO）物理层安全传输系统中的最小反馈比特数问题。论文对信道方向信息采用基于随机矢量量化（Random Vector Quantization, RVQ）的码本反馈方法,首先定量分析了RVQ量化导致的系统保密速率损失,充分考虑不同发送信噪比条件与量化误差的特点,推导出了所需最小反馈比特数的闭合表达式。分析表明为保持恒定的遍历保密容量损失,反馈比特数应随对数信噪比及(Nt-1)线性变化（Nt为发送天线数）。理论分析和仿真结果表明,依据本文得到的闭合表达式调整反馈比特数,可以满足系统的安全性能要求。现有研究没有考虑信噪比较低的情况,而本文的结论适用于各种信噪比情况,对于人工噪声辅助的物理层安全传输策略实用化具有指导意义。      

无线物理层安全综述

无线通信网络具有组网灵活、接入便捷等特点,已在军事和经济等领域得到广泛应用。然而无线信道的广播特性和开放性也为信息的安全传输带来挑战。不同于传统基于秘钥的加密机制,物理层安全以信息论为基础,利用无线信道的衰落等内在特性增强通信系统的安全性能,为解决无线通信的安全问题提供了新的途径。回顾了物理层安全的发展历程,对物理层安全性能指标进行介绍,从信息理论安全、波束成形、中继协作、人工噪声和分集等5个方面,对物理层安全研究内容做了全面的总结归纳。最后给出物理层安全面临的挑战并进行展望。     

一种基于多载波的多播系统物理层安全方案

受限于发送方天线数目,无线多播系统整体信道通常不存在零空间,无法利用传统的物理层安全技术保证其安全传输。针对这一问题,该文提出一种基于多载波的多播系统物理层安全方案。首先,建立了多载波多播系统物理层安全通信模型;之后,通过分配载波产生合法用户的信道零空间,在零空间内引入人工噪声保证系统的安全传输;最后,以最大化保密传输速率为目标,在系统总功率受限情况下,利用Kuhn-Tucher条件对各子载波功率进行了优化。仿真结果表明:该方案不受限于发送方天线数目,并且所提功率分配方法的系统保密传输速率比等功率分配方法提升约2 bit/(s Hz)。     

利用人工噪声提高合法接收者性能的物理层安全方案

该文研究在采用波束赋形和人工噪声的物理层安全方案中利用人工噪声提高合法接收端性能。发送端根据发送符号和信道系数,判断人工噪声是否对合法接收端的信号检测有益,并针对有益噪声和无益噪声分别设计不同的噪声波束赋形矢量。通过利用有益噪声,在不改变窃听端接收信噪比的条件下,合法接收端的信噪比有较明显的提高。对误比特率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,所提方案可提高合法接收端的性能,改善保密容量。     

Time-Reversal Based Secure Transmission Scheme for 5G Networks over Correlated Wireless Multi-Path Channels

Broadband wireless communication users for 5G networks are primarily implemented in a complicated environment; the complex environment of time-varying multi-path propagation characteristics will seriously affect the performance of communication. One of the core technologies to overcome this problem is to introduce the environment adaptive technique—time reversal in the wireless link. Further, the problem of a Wiretap Channel in physical layer security research has become a popular research topic in recent years. To resolve the physical layer wiretap channel and multi-path fading problems in wireless channels, a novel concept of combining time reversal technology with physical layer security technology is proposed. In this paper, a physical layer secure transmission scheme based on the joint time reversal technique and artificial noise at the sending end is proposed for the wireless multi-path channel. First, in a typical wiretap channel model, the time reversal technique is used to improve the security of the information transmission process by using the properties of spatial and temporal focusing. Second, as the information is easily eavesdropped near the focus point, artificial noise is added to the sending end to disrupt the eavesdropping capability of the eavesdropper. Finally, due to the complexity of the multi-path channels, the influence of the antenna correlation on the system security performance is considered. Compared with the existing physical layer security schemes, theoretical analysis and simulation results show that the proposed scheme has a higher secrecy signal-to-noise ratio, a higher rate of secrecy, and a lower bit error rate of legitimate user.     

基于人工噪声的多用户MIMO系统加密算法

当多用户MIMO系统中的用户数多于或等于发射端天线数时,现有的基于人工噪声的物理层加密算法会导致合法用户无法正常接收。为提高此时的多用户MIMO系统的安全性,该文提出一种新的基于人工噪声的多用户MIMO系统加密算法。首先,发送端对多个合法用户进行联合处理,建立多用户联合信道状态矩阵;然后,将联合信道状态矩阵进行奇异值分解,并根据最小的奇异值进行预编码,以消除人工噪声对合法用户的影响;最后,提出一种优化功率分配的方案。仿真结果表明,该算法将多用户MIMO系统的保密容量平均增加了0.1 bit/(s?Hz),从而提高多用户MIMO系统的安全性。     

基于有限反馈的非可信中继系统的物理层安全性能分析

在基于有限反馈获得部分信道状态信息的条件下,研究了放大转发非可信中继系统的物理层安全传输技术.通过目的节点发送人工噪声干扰信息,使系统获得了正安全容量.推导了安全中断概率和传输中断概率的闭合表达式,分析了反馈比特数对系统安全性和可靠性的影响,进而提出了能同时兼顾系统安全性和可靠性的最优反馈比特数的自适应选择方案.     

Asymptotic performance analysis of untrusted relay system with full-duplex jamming destination

The cooperative relay technique in the field of physical layer security is widely concerned by the academic community,due to the advantages of increasing the network capacity and expanding the network coverage.However,cooperative relays may play as untrusted nodes in some certain circumstances.Based on this,to enhance the secrecy performance of untrusted relay systems,a novel full-duplex destination jamming (FDJ) scheme was proposed in the Rayleigh fading channel.In order to maximize the system’s secrecy capacity,a switchable split-optimal antenna selection (OAS) scheme was proposed for a multiple-antenna destination,the power allocation optimization scheme between the source and destination was designed,and the corresponding closed-form expressions of secrecy performance were given.In the large-scale antennas analysis,the closed-form expressions of the ergodic achievable secrecy rate and the optimal power allocation factor of instantaneous secrecy capacity for the FDJ-OAS scheme were derived.Furthermore,based on different asymptotic cases,the asymptotic analyses of secrecy outage probability for the FDJ-OAS scheme were significantly analyzed.Simulation results show that the analytical curves match well with the Monte-Carlo simulation results.It is concluded that the diversity order of the FDJ-OAS scheme is proportional to the number of antennas and antenna diversity can be achieved,which reveals the advantages of the proposed FDJ-OAS scheme.     

储能-发送模式的单天线两跳中继系统保密速率的优化

该文研究节点具有能量收集能力的两跳中继系统的物理层安全传输方案。考虑窃听节点与源和中继节点间都有直接链路的情况。每个数据传输时隙分为能量收集和数据传输两个阶段,各节点用收集的能量发送信号。中继采用放大转发方式,目的节点发送人工噪声进行协作干扰,保护在两跳传输中传输的保密信息。以最大化保密速率为目标,采用迭代算法优化能量吸收和数据传输两阶段的时间分配比例系数和协作干扰功率分配因子。仿真结果表明优化算法准确,优化后的协作干扰方案能显著提高系统的保密传输速率。由于考虑了窃听节点在两跳传输中都能接收到信号的可能性,文中方案更贴近实际,并解决了一个复杂的优化问题。     

大规模MIMO中继系统中多用户物理层安全传输方案

研究大规模多输入多输出中继网络中的多用户物理层安全传输方案.系统模型中假设窃听节点与源节点和中继节点间都有直接链路,窃听节点可以接收到源节点和中继发送的信号.在不能获得窃听者信道状态信息的情况下,大规模MIMO中继采用简单的最大比合并/最大比发射信号处理方案,并配合中继零空间人工噪声和目的端的协作干扰实现多用户的信息安全传输.对保密速率及其在中继天线数无限增长时的渐近值进行了理论分析,并进行仿真.仿真结果显示系统的保密和速率随中继天线数的增长而增长,最终趋于理论渐近上界值.仿真结果也表明即使窃听节点具有多用户间干扰消除能力,并能同时拦截源节点和中继发送的信号,采用本文的方案仍然能获得可观保密速率.     

MISO的普适性人工噪声保密容量

当MISO(Multi Input Single Output)系统存在的加性人工噪声服从一般分布时,系统保密容量讨论难度较大。为推导一般意义多天线系统下的保密容量,引入了信道等效特征的概念。利用信道特征阐明了人工噪声方法的物理概念,并推导出了具有普适性的人工噪声方法保密容量上下限,进一步结合熵功率,推导出AWGN信道下的保密容量解析式。理论分析和仿真得出,通过人工噪声可使平均保密容量增大,从而提高MISO系统的安全性。