基于人工噪声的中继网络物理层安全传输机制

针对无线自组织网的不可信中继节点会带来严重安全威胁的问题,提出利用干扰节点保障通信的物理层安全机制。其信息传输分为两个阶段:中继节点获得来自发送端和干扰节点的含人工噪声的信号;目的接收端在干扰节点的协助消噪后还原出原始信息。由于中继节点和窃听者的接收信号始终伴随严重的噪声干扰,系统具有较高的安全性。仿真结果表明,窃听者和干扰节点在处于不同地理位置时,系统均具有较大的安全传输速率。     

多中继混合转发协作传输策略研究

为了优化多中继协作通信系统的性能,提出了一种多中继混合转发协作传输策略(Multiple-Relay Hybrid-Forwarding Cooperative Transmission Scheme,MRHF-CTS)。该策略考虑多中继协作通信系统中的译码转发与放大转发以及两种转发方式带来的性能缺陷,根据协作中继节点接收信号的译码结果选择转发方式,同时引入协作中继节点之间数据来传输对系统性能的增益。对系统中断概率性能进行了推导与分析,结果表明,该策略在消除放大转发策略噪声累积的基础上,能够有效抑制协作中继节点错误检测译码转发给系统带来的不利影响,明显提升系统性能;在大信噪比情况下,可获得多中继译码转发协作通信系统的最佳性能。     

基于联合信道特征的中继物理层安全传输机制

针对中继节点不可信的问题,提出了一种基于联合信道特征的中继物理层安全传输机制.首先将中继前后的两个信道等效合并为一个,得到联合信道特征.然后在联合信道特征的零空间中,增加人工噪声,使参与转发的中继节点无法获得有效信息量.仿真结果表明:当增加的人工噪声处于合法接收者信道特征的零空间时,可以提高协作中继系统的保密容量,合法接收者的误码率要远低于不可信中继;保密容量随中继数量增加的变化趋势与窃听者的分布相关.     

基于协作波束成型的中继分组协作物理层安全方案

针对现有方法中第二跳中继转发信息容易被窃听的问题, 提出一种基于协作波束成型的中继分组协作物理层安全方案。首先, 利用发送—中继—接收的级联信道将中继分为协同干扰组和协同中继组。然后, 两组中继分别利用噪声转发和译码转发策略, 相互协作提高保密速率; 最后, 在总功率受限下, 进行功率优化分配。仿真结果表明, 该方法比参考的中继分组方法获得的保密速率高, 并且随着转发功率的增加而提升; 相同功率下该方法能获得0. 6 bps/Hz的性能提升。因此该方案能够有效提升协作中继系统的安全性。     

窃听环境下轮流中继网络的安全传输方案

针对含有多个窃听者、多个中继的无线通信网络的传输安全问题,提出了一种新的轮流中继安全传输方案。以降低系统平均安全中断概率为目标,所提方案在源节点发送保密信息的过程中,在每个传输时隙均选择一个最优中继对前一时隙接收到的信号进行转发以干扰窃听者,并在目的节点处进行干扰消除。为评估系统性能,推导得到了系统平均安全中断概率的闭式表达式。仿真结果验证了理论分析结果的正确性,并表明与传统中继协作方案相比,所提方案可显著降低系统的平均安全中断概率。     

相关衰落信道下的安全协作系统及中断性能

基于相关的瑞利衰落信道,研究安全协作系统的安全中断性能。假定发送端知道全部信道的信道状态信息,系统中存在单个窃听节点以及多个进行协作的中继节点,某个中继节点被选择作为干扰者来发送干扰信号,合法信道与干扰节点到目的节点的信道相关,窃听信道与干扰节点到窃听节点的信道也相关。在此类协作场景中,分析了信道相关性对安全协作系统安全性能的影响,获得了安全中断概率表达式。数值结果表明信道相关对安全协作系统的安全性能存在显著影响。     

一种全双工认知中继网络中实现能量高效的安全传输方法

在“绿色”安全通信背景下,提出了一种保证同时同频全双工认知中继网络物理层安全、不影响主用户性能且能量高效的中继簇功率分配方案,该网络包含两个认知源节点、多个认知中继节点、多个主用户节点以及多个主用户窃听节点。在考虑了自干扰消除率以及中继转发信息的公平性的基础上,分别针对中继节点选择放大转发与译码转发策略的情形,设计协作波束成形向量及人工噪声矩阵,并通过一种结合半定松弛技术的爬山算法来获取最优解。仿真结果与理论分析表明了方案的有效性与合理性,同时表明选择放大转发策略能够获取更高的总能量效率。     

多向中继网络中的协作复用技术

为提升多向中继网络的频谱效率,提出一种基于协作复用的传输技术,多个配置单天线的中继节点对空间复用信号进行放大转发,接收节点收到足够数量的样本即可译码,减少了发送时间,提高了传输的有效性。针对三节点数据交互的情形,分析了该技术的频谱效率。结果表明,在高信噪比区域,相对于传统的和基于协作分集的传输方案,该技术的频谱效率分别提升了100%和200%。     

全双工协作中继网络的遍历容量分析

为了对无线网络开展合理设计,就存在直达通信链路的多节点全双工协作中继网络(FD-CRNs)进行了研究。首先,在同时考虑网络内节点的互干扰与全双工(FD)节点进行自干扰消除后的残余自干扰的情况下,基于Nakagami-m衰落就中继节点,分别采用放大转发与解码转发协议的不同场景对遍历容量展开了分析。接着,通过将求解遍历容量转化为求解接收信干噪比的原点矩,求得遍历容量的近似闭合表达式。最后,通过仿真分析了不同中继转发协议、Nakagami-m衰落参数、残余自干扰、互干扰、节点传输功率等不同因素对遍历容量的影响。仿真结果表明,提升节点的发射功率能一定程度提高遍历容量,解码转发协议抗干扰的性能优于放大转发协议。当其他通信参数一定时,中继节点采用解码转发协议时具有更好的容量性能表现。     

窃听环境下协作通信网络的机会中继选择方法

传统的最佳中继选择方法仅依赖于合法用户的信道条件,在存在窃听用户的环境中无法保证信息传输的安全性与私密性。针对该问题,以最小化系统安全中断概率为目标,综合考虑合法用户与窃听用户的信道状态信息,提出一种新的机会中继选择方法。针对解码转发协作通信网络,给出系统总发射功率受限条件下的最佳功率分配方案,并在此基础上设计最佳中继节点的选择方法,推导得到系统安全中断概率的闭式表达式。仿真结果验证了该闭式表达式的正确性,并表明与传统中继选择方法相比,提出的中继选择方法可显著降低系统的安全中断概率。     

协作通信中基于斯塔科尔伯格博弈的物理层安全分析

物理层安全不是利用传统的密钥加密,而是利用信道的传输特性使得合法的通信双方实现安全传输的方法。无线协作通信中节点行为对物理层安全的影响是至关重要的。本文应用斯塔科尔伯格博弈模型研究节点之间的利益,在中继自私的协作放大转发网络中,得到网络中节点之间的效用平衡的最优解存在条件,并提出一种分布式算法,找到网络平衡下的最优安全性能解。     

三协作节点的功率分配及其信道容量

针对多协作用户的功率分配及其信道容量问题,讨论了在三个协作用户的通信模型中,当信道增益固定情况下的功率分配。以信道容量为目标函数,给出了最优的功率分配算法。实验结果表明,当信源节点到目标节点的信道增益大于信源节点到各中继节点的信道增益时,信源节点可以直接传送给目标节点。当信源节点到各中继节点的信道增益的平方与信源节点发射功率的乘积小于相应中继节点到目标节点信道增益的平方与相应中继节点发射功率的乘积时,信源节点可以完全通过中继节点来传送给目标节点,在其它情况下,信源节点可以一部分通过中继节点传输,一部分直接传输到目标节点。     

基于功率控制与中继协作的抗窃听攻击模型

在认知无线电网络中,由于无线通信的广播特性,容易造成链路被恶意窃听。文章首先分析主用户(授权用户)网络中直接传输下窃听概率与功率的关系。接着提出基于功率控制与中继协作的抗窃听攻击模型,计算两种不同情形下的最佳传输功率。第一种情形为窃听者只能窃听中继节点的信号,第二种情形为窃听者可以同时从源节点和中继节点窃听到信息。最后,文章通过分析安全容量给出最佳中继的选择标准。数值分析结果表明,文章模型可以通过增加中继节点的个数来降低窃听概率。此外,相较于其他模型,文章模型在抵御窃听攻击方面能达到更优的效果。     

Tracing Malicious Relays in Cooperative Wireless Communications

A cooperative communication system explores a new dimension of diversity in wireless communications to combat the unfriendly wireless environment. While this emerging technology is promising in improving communication quality, some security problems inherent to cooperative relay also arise. This paper investigates the security issues in cooperative communications under the context of multiple relay nodes using decode-and-forward strategy, where one of the relay nodes is adversarial and tries to corrupt the communications by sending garbled signals. We show that the conventional physical-layer signal detector will lead to a high error rate in signal detection in such a scenario, and the application-layer cryptography alone will not be able to distinguish the adversarial relay from legitimate ones. To trace and identify the adversarial relay, we propose a cross-layer tracing scheme that uses adaptive signal detection at the physical layer, coupled with pseudorandom tracing symbols at the application layer. Analytical results for tracing statistics as well as experimental simulations are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed tracing scheme     

基于非理想CSI的全双工双向中继系统保密中断概率性能研究

研究基于译码转发的全双工中继系统的物理层安全问题。假设系统模型中窃听者与合法用户以及中继之间存在直接链路,考虑在合法用户和中继之间的信道状态信息（channel state information,CSI）是非理想的情况下,通过分析信道估计误差、窃听信道的平均信噪比和残余自干扰对中继系统物理层安全的影响,推导出每个节点端到端瞬时信干噪比和非理想CSI下的保密中断概率表达式。仿真结果表明,信道估计误差、窃听信道的平均信噪比和残余自干扰越小,系统保密中断概率越小,系统安全性能越高;在高信噪比时,残余自干扰对保密中断概率的影响可以忽略不计;同时,全双工中继方案优于传统的半双工中继方案。     

基于协作中继的多点广播码分多址信息系统设计

为了提高多群多点广播中继网络系统的性能,提出一种改进的协作中继多点广播码分多址(CDMA)系统设计。该方案利用协作中继辅助的分布式波束形成 实现单天线基站多播,获得了较好的空间分集增益。在该系统中,多个基站利用多个中继节点向多个目的地的各个小组传播消息;利用CDMA技术来减少中继节点以及目的地节点的多址干扰(MAI)障碍,同时每个中继节点作为线性预编码波束合成器,可以在合适的代码空间重塑基站信号;对线性波束形成矩阵进行优化,使得中继节点的功率最小化,从而满足QoS在信号干扰噪声比方面的要求。系统性能仿真对比实验的结果表明,提出的改进方案明显优于传统的正交复用方案(FDMA / TDMA)。     

一种用于协作通信系统的频率同步算法

在协作通信领域中频率同步已成为研究的焦点之一。由于其系统特性,载波频率偏移（Carrier Frequency Offset,CFO）普遍存在。考虑了协作通信系统中的多频偏估计问题,提出了一种新的用于协作通信系统的频率同步算法ECR,通过中继节点在转发前进行频率再补偿,使得中继节点转发的信号的发送频率均与源节点的发送频率保持一致,继而目的节点的频率同步问题得以简化,同时系统不会随着中继节点的增多而变得复杂。仿真结果表明,所提出的同步方法在协作通信系统中可以取得较好的系统性能。     

无线中继网络中基于方向天线的MAC协议

无线中继网络是指网络中的节点互相通信成为中继节点之间,中继节点之间距离很近可以形成协作分集,该文对这种网络进行了研究,引入多天线技术(MIMO)中的波束成型技术来消除信道间干扰,实现并行传输数据,分析了协作传输策略,结合协作传输策略对中继节点的功率分配进行了优化,基于合协作传输策略设计了一种基于方向天线的MAC协议.经过分析和实验仿真,基于MIMO波束成型的协作传输方法在相同情况下比其它的方法增加15％以上的信道容量.