自适应窃听下NOMA用户协作干扰的物理层安全研究

在存在一个半双工自适应窃听者的通信模型中,分析了采用非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术合作系统的性能。提出了一种新型的合作NOMA方案,该方案在中继转发时,强用户可充当中继协助转发弱用户信号,而弱用户采用全双工技术向窃听者发送干扰信号,提高了通信链路的安全性和用户的服务质量。合法接收端采用连续干扰消除(SIC)技术,以解码来自叠加信号的各个消息。在已知窃听信道统计信道状态信息(CSI)的情况下,分别推导了2个用户的安全中断概率和中断概率的闭合表达式,并通过Monte-Carlo仿真验证。理论分析和数值模拟结果均表明所提出的NOMA用户合作方案在保密率方面优于非合作方案的性能。     

存在恶意干扰者时一种基于连续零和博弈的物理层安全传输方法

在存在恶意干扰者的四节点网络中,恶意干扰者通过发送相关干扰破坏合法通信。针对该安全问题,本文提出了一种源信号和结构性噪声联合发送的安全传输方法,其中,结构性噪声是指合法通信双方共享的结构性码字,它只干扰非合作节点,从而提高系统安全性能。具体步骤为,首先建立发送方和恶意干扰者之间以安全速率为目标函数的连续零和博弈模型;然后根据信道状态确定各自的策略集,并分析策略集对应的纳什均衡;最后利用均衡解指导发送方合理分配源信号和结构性噪声的功率。数值仿真表明所提方法下的安全速率比原有方案的要高。      

多跳IWSN物理层安全的Stackelberg博弈

针对多跳工业无线传感器网络中物理层安全窃听攻击问题,研究了一种反馈Stackelberg博弈功率控制(Feedback Stackelberg Game Power Control,FSPC)方案.基于提高一跳内安全速率,通过付费方式激励目的节点提供协同干扰服务,利用Stackelberg博弈模拟发送节点和目的节点的交...     

协作干扰技术的提出、现状和未来展望

在物理层安全技术的研究中,协作干扰技术是较为特殊的一类,通过引入人为的干扰信号,降低窃听节点的接收性能,进而提升系统的保密容量。本文回顾了协作干扰技术的提出背景,总结了其研究现状,并对未来的发展前景和潜在研究点进行了展望。目前协作干扰技术的研究可以根据干扰信号的不同分为4类,也可根据窃听系统的不同分为简单和复杂场景下的自干扰和外协作干扰技术的研究。     

基于随机演化博弈的WSNs节点协作演化模型

为解决无线传感器网络节点协作策略的选择影响协作效果的问题,考虑到节点数量有限及个体随机性,基于模仿突变Wright-Fisher过程的随机演化博弈,提出了WSNs节点协作随机演化模型,并加入了与节点协作程度相关的惩罚机制.该模型弥补了复制子动态不适用于节点数量有限的WSNs节点协作演化建模问题.经过随机动力学分析,推导并证明了达到演化稳定状态的定理.最后通过实验验证定理并分析了选择强度和惩罚力度对WSNs节点协作演化稳定状态的影响.     

无线通信中源和干扰中继间的博弈

研究了由源、目的、干扰中继和窃听者组成的四终端网络中干扰中继和源之间的博弈问题。其中干扰中继帮助窃听者最小化安全速率，而源的目标是最大化安全速率，源和干扰中继构成了博弈问题，采用了非合作零和博弈来解决此问题，得出博弈双方各自最优策略的表达式，并根据极大极小值定理分析了纳什均衡点的存在性。这里仿真结果采用的方法能非常有效地降低安全速率，且存在纳什均衡点。     

物理层安全技术研究现状与展望

物理层安全技术的研究正逐渐成为信息安全和无线通信两个领域的交叉热点。回顾了物理层安全技术的背景和研究现状,并对其未来的发展进行了展望。物理层资源的多样性和惟一性等特征以及十几年来物理层传输技术的涌现和发展,为物理层安全技术的研究开展提供了广阔的空间。目前物理层安全技术的研究以引入各种新技术之后的窃听信道容量分析为基础,并且已经出现了物理层鉴权技术、物理层密钥产生技术和物理层加密技术等新兴的研究方向。     

认知物联网中基于博弈论的对抗干扰与窃听方法

物联网通过采用认知无线电的动态频谱共享机制提高了频谱利用率,然而认知物联网（Cognitive Internet of Things,CIoT）容易受到多种攻击,包括干扰攻击和窃听攻击。首先,基于联盟博弈考虑一个合作模型,其中合法用户合作传输以提高信干噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR）,而干扰机合作以提高接收信号强度（Jammer Received Signal Strength,JRSS）,窃听机旨在降低系统的保密速率。其次,基于演化博弈论研究了CIoT网络中合法用户和攻击者的动态特性,利用能量采集（Energy Harvesting,EH）技术提高用户的发射功率以提高SINR,从而提高用户的合作水平。此外,通过设置协作干扰节点劣化窃听信道以提高系统的保密速率。仿真结果表明,所提方法在应对干扰攻击和窃听攻击问题上是有效的,且在SINR和保密速率方面优于传统方法。     

基于联盟博弈的多小区下行链路保密协作算法

考虑一个存在多窃听者的多小区下行链路蜂窝网络,协作小区通过在选定的子载波上执行协作波束赋形,利用小区间干扰抑制窃听者,实现安全传输。在窃听者位置未知的情况下,推导了下行链路保密连接概率的闭式表达式。在此基础上,将下行链路建模为博弈参与者,该文提出一种基于联盟博弈的多小区下行链路保密协作算法,以保密连接概率为效用函数,通过设计联盟加入和退出规则,实现了下行链路对子载波的高效选择和保密协作联盟的自组织生成。理论和仿真分析表明所提算法能够形成稳定的联盟结构,并且所提算法的保密性能优于传统的联盟协作算法。     

一种基于演化博弈的分簇协作路由算法

现有的分簇协作路由没有依据协作通信的特点选择簇头,也没能根据簇头节点的服务能力均衡簇成员负载,因而不能充分发挥协作通信能量高效的优势.本文提出了一种基于演化博弈的分簇协作路由算法CCREG.算法首先定义虚节点剩余能量作为簇头确立的指标,然后通过动态演化博弈为簇联盟问题建立模型.簇成员节点选择不同簇头结成联盟,可获得不同的收益.收益由簇头的能力、簇成员节点个数等因素决定.簇成员节点都可以根据自身得到的信息有限理性的选择簇结成联盟,直到网络中所有节点改变簇联盟都不能获得更高的收益.实验结果表明,与协作多输入多输出路由算法CMIMO相比,CCREG算法的网络生存周期在两个簇头情况下延长14%到70%,三个簇头情况下延长5%到80%.     

一种基于博弈的联盟组网方法

针对缺乏有效联盟收益分配机制,导致发送端拒绝协作,同时发送信号,造成接收端信号重叠,该文提出一种基于博弈的安全联盟组网方法。首先,将协作博弈机制中的收益分摊机制引入安全联盟组网自适应形成方法,建立发送端联盟组网模型。然后,为实现联盟方式组网,基于博弈方法将联盟组网相比非联盟时增加的总安全速率作为可转移的收益函数,平均分配给组网内各个发送端;之后,发送端遍历所有可能形成的联盟组网,得到均摊收益最大的联盟组网方式;最后,发送端自适应形成该联盟组网,无需发送信号或相同需求下窃听信道条件最坏的发送端发信号,其余所有发送端通过发送人工噪声进行协作。仿真分析验证了该方法的公平性和有效性,当发送端功率等于20 mW时,高斯信道下的网络平均安全速率相比初始状态提高1.8 。     

面向物理层安全的一种打孔极化编码方法

为了解决物理层安全编码中安全性和可靠性之间的矛盾和提高保密速率,该文提出一种基于打孔极化码的安全编码方法。根据信道极化理论,该方法将私密信息位映射到合法者正常接收而窃听者无法译码的特定逻辑信道输入位,保证私密信息可靠且安全传输。然后,通过分析极化码的校验关系树,利用3个参数表征输出节点对私密信息位的影响,再按照影响程度大小确定打孔位置。理论分析与仿真结果表明,该方法保证私密信息传输安全性和可靠性的同时,提高了私密信息传输的有效性。     

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)。     

基于演化博弈的传感节点保密率自适应调节方法

通过扩展经典窃听信道模型,针对聚簇无线传感器网络提出了传感节点和簇头之间的保密率计算方法,构建了一个非合作保密率博弈模型,以反映传感节点之间的交互关系.利用演化博弈思想,建立了传感节点自适应选择发射功率的机制,提出了传感节点自适应调节保密率的算法.实验结果表明,提出的方法能自适应地调节传感节点的保密率,为保证无线传感器网络数据的保密性提供了新途径.     

高斯Wiretap模型下基于部分陪集的无线物理层强安全编码

针对无线物理层安全编码不能保证信息在有噪信道下进行强安全传输的问题,该文提出一种基于部分陪集的强安全编码方法。首先证明了当且仅当陪集母码的对偶码的最小汉明距离大于信息泄露位数时,利用部分陪集编码能够保证信息的强安全传输;然后证明了陪集编码的一系列性质,基于这些性质可以将陪集间最小汉明距离计算降低为1次查表运算,进而设计了一种基于树形深度优先的最大可用陪集集合搜索算法;最后分析得出一些典型线性分组码的抗窃听信道信息泄露和抗合法信道传输噪声的能力,以及相应的最大可用陪集集合。当陪集母码为BCH(15,11)的对偶码时,与传统陪集编码方案相比,该方法对合法信道的信道质量要求降低了5 dB,同时能够保证信息传输的强安全性。     

A Distributed Implementation Algorithm for Physical Layer Security Based on Untrusted Relay Cooperation and Artificial Noise

In this letter, we consider a cooperation system with multiple untrusted relays (URs). To keep the transmitted information confidential, we obtain joint channel characteristics (JCCs) through combining the channels from the source to the destination. Then, in the null space of the JCCs, jammers construct artificial noise to confuse URs when the source node broadcasts its data. Through a distributed implementation algorithm, the weight of each node can be obtained from its own channel state information. Simulation results show that high‐level security of the system can be achieved when internal and external eavesdroppers coexist.     

一种基于时空编码的物理层安全算法

针对多天线窃听系统的物理层安全问题,提出一种基于时空编码的预编码算法。首先,合法接收者发送训练序列用于发送者估计主信道状态信息,而窃听信道的状态信息合法用户均未知;其次,发送者利用均匀信道分解的方法提取主信道状态信息的特征参数,生成发射端预编码矩阵和合法接收端均衡矩阵,收发联合加密处理提高物理层安全;最后,利用 Monte Carlo方法进行仿真实验,数值分析表明,该算法在窃听者天线数目增多时能够实现非负的保密容量,即使窃听信道质量较好时,窃听者的接收性能仍维持在很差的水平,误码率高达0.5。     

基于随机演化博弈模型的网络防御策略选取方法

针对攻防博弈系统中存在攻防策略集和系统运行环境改变等各类随机干扰因素的问题,传统确定性博弈模型无法准确描述攻防博弈过程.利用非线性Itó随机微分方程构建随机演化博弈模型,用于分析攻防随机动态演化过程.通过求解,并根据随机微分方程稳定性判别定理对攻防双方的策略选取状态进行稳定性分析,设计出基于随机攻防演化博弈模型的安全防御策略选取算法.最后,通过仿真验证了不同强度的随机干扰对攻防决策演化速率的影响,且干扰强度越大,防御者更倾向于选择强防御策略,攻击者更倾向于选择强攻击策略.本文模型和方法能够用于网络攻击行为预测和安全防御决策.     

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。