MIMO全双工双向通信系统平均保密和速率的优化

研究多入多出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）同时同频全双工双向通信系统中,合法节点在接收信息的同时向对方发送保密信息,并发送零空间人工噪声干扰窃听节点的物理层安全方案的优化问题.针对窃听信道状态信息仅统计分布已知,且存在残余自干扰的情况,首先推导出系统平均保密和速率的闭合表达式,进一步给出其下界.在此基础上,以最大化系统该下界为目标,对两节点的信息信号与人工噪声的功率分配因子、信息信号的功率分配矩阵进行联合优化.采用迭代的方法进行优化,每轮迭代中,先固定前者,优化后者,再固定后者,优化前者.使用DC（Difference of Concave/Convex,DC）规划优化信息信号功率分配矩阵,使用遗传算法优化信息信号与人工噪声的功率分配因子.对所提方案进行了仿真验证,证明理论推导正确,优化算法能有效地提高系统的平均保密和速率.     

多天线预均衡时间反转安全传输系统中预均衡器的优化

时间反转传输技术通过利用多径传输实现信号能量在空间和时间上的聚集,具有天然的抗窃听特性.本文在多输入单输出(Mingle-Input Single-Output,MISO)时间反转物理层安全传输系统中,在常规的发送预滤波器前增加一个所有天线共用的预均衡器,并针对保密速率最大化进行优化.相比较联合优化所有预滤波器的方案,优化预均衡器的复杂度明显更低.仿真结果表明,针对安全传输优化的预均衡时间反转系统,在配备4根发送天线、上采样因子为1时高发送功率下的可达保密速率比常规时间反转传输系统约高2倍,且天线数目越多,上采样因子越大,性能优势越明显.     

能量收集系统中基于能量协同和协同干扰的保密传输方案

研究节点具备能量收集能力的中继窃听信道保密速率的优化问题,提出一种基于人工噪声协同干扰和节点间能量协同的物理层安全传输策略.各节点采用储能-发送模式工作,即先收集能量,再用于数据传输.中继节点采用放大转发方式,目的节点发送人工噪声进行协同干扰.由于中继节点所需功耗较高,目的节点将用于发送干扰之外的剩余能量转移给中继节点.给出以最大化保密速率为目标函数,优化能量吸收时间比例系数和干扰功率分配因子的两步优化算法.仿真结果表明人工噪声和能量协同的引入能有效提高系统的保密传输速率.     

LTE系统中多速率采样滤波器的设计

在LTE（long term evolution）系统中对OFDM基带信号采样进行数字化处理时,随着系统带宽变化,采样速率也随之变化,但是根据协议,发送端采样速率固定,此时需要对信号进行过采样。通过对滤波器的分析比较以及仿真设计,得出结论,LTE系统中可以使用半带滤波器实现信号的过采样。     

下行时间反转非正交多址接入系统的设计与优化

针对时间反转多址接入系统在用户相关性较大时,用户间干扰严重,导致系统和速率下降问题,提出一种将时间反转多址接入技术与功率域非正交多址接入技术相结合的下行多址系统方案.将相关性较高的用户分为一组,组内用户符号采用非正交叠加传输的方式,不同用户组的符号采用时间反转滤波器进行预处理,实现多用户符号的同时同频传输.给出了一种用户分组算法,进一步在用户最小速率和基站的总发送功率约束下,采用迭代信干噪比注水算法优化用户的发送功率以最大化系统和速率.仿真结果表明,本文方案在配备单根发送天线、预滤波器采用迫零准则设计时高发送功率下的系统和速率比常规的时间反转多址接入方案约高30%;天线数目越多,性能优势越明显.     

人工噪声辅助的多用户安全传输方法

针对传统人工噪声辅助的安全传输方法无法适用于发射天线数等于接收天线数的多用户(Multiuser, MU)多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)系统的问题,提出了一种人工噪声辅助的多用户安全传输新方法。通过合理设计人工噪声与预编码矩阵,该方法可在同时满足所有用户传输需求的基础上,显著提升发射天线数等于接收天线数的MU-MIMO系统的安全性。同时,针对提出的方法进行了检测算法与平均保密速率的推导与分析。理论分析与仿真结果表明,所提方法可有效提升无线通信系统的安全性,在信噪比为20 dB时,该方法较传统方法的平均保密速率提升达到120%。     

莱斯衰落中多用户大规模MIMO系统的安全通信

研究了莱斯衰落信道中多用户集中式大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统的安全通信问题。基站利用上行训练获取信道状态信息,之后利用最大比传输波束成形算法进行下行数据传输。基于随机矩阵理论,分别分析了合法用户和窃听者的信息速率表达式,从而得到了遍历安全速率的闭合表达式。基于获得的结果,进一步分析了极端莱斯K因子和无限发送数据功率下系统的极限安全性能。最后,通过不同条件下的实验仿真设计,验证了系统的安全性能,同时证实了所得结果的正确性。     

具有滑频滤波器的光孤子通信系统时间抖动的研究

本文通过微扰理论，对采用滑频滤波器控制的孤子系统的时间抖动进行了研究。结果表明，滑频滤波器的引入，导致幅度和频率、幅度和滑频滤波器三阶项间的耦合，使得孤子传输系统的时间抖动增大，影响系统的传输极限。研究了滑频滤波器三阶项对滑频速率的影响，讨论和比较了具有滑频滤波器、固定频率滤波器和不加任何控制时的系统对由放大器的ＡＳＥ噪声产生的时间抖动的抑制结果。采用滑频滤波器是一种较好地抑制时间抖动的方法。     

不准确CSI下智能反射表面辅助的多用户系统物理层安全方案设计

该文研究智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助的多用户下行系统中的物理层安全的优化问题。多个用户之间的信息需要相互保密,每个时隙,非信息传输的目标用户视为窃听者,因此这是一个多窃听者的安全传输系统。由于信道的时变性,基站拥有窃听信道的信道状态信息(Channel State Information, CSI)为与真实的CSI间存在误差的过时信息。在此条件下,以系统最坏情况下的保密速率最大化为目标,对基站发射信息信号和人工噪声波束成形矢量,以及IRS的相移矩阵进行联合优化。原始优化问题为非凸半正定规划问题,利用松弛变量、惩罚函数、Charnes-Cooper变换和交替迭代优化等方法将原问题转化为凸问题并求解。仿真结果显示,相较于基准方案,该文所提出的优化算法能有效提高系统的保密速率。     

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。     

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.     

无人机辅助物理层安全下的保密性能优化

信息安全是影响物联网(IoT)应用的关键因素之一,物理层安全是解决物联网信息通信安全问题的有效技术。该文针对物联网中带有主动攻击的全双工窃听者,利用无人机(UAV)辅助发射人工噪声的方法,提升系统物理层安全性能。为了跟踪窃听者位置移动,首先采用贝叶斯测距和最小二乘法迭代估计窃听者位置,然后提出基于Q-learning的无人机轨迹优化算法,以达到在窃听者移动情况下系统保密性能最优。仿真结果表明,该算法能快速收敛,并且无人机能够跟踪窃听者移动来确定自身最佳位置,对窃听信道实施有效干扰,从而保证系统可达安全速率最大。     

On the Secrecy Rate of Limited Feedback Beamforming over Multiple-Input Single-Output Wiretap Channels

The secrecy rate of limited feedback beamforming is studied for a Multiple-Input Single-Output （MISO） wiretap channel with a multi-antenna eavesdropper. We first obtain the secrecy rate of limited feedback beamforming achieved at the legitimate receiver. We then derive a lower bound for the asymptotic secrecy rate in the large system limit, From this bound, we observe a threshold for the ratio of eavesdrop antennas to transmit antennas to obtain a positive secrecy rate. We further show that the secrecy rate loss due to limited feedback decays with the number of feedback bits per transmit antenna.     

概率译码转发中继系统中的安全极化编码方法

该文针对中继节点依概率辅助译码转发的通信场景,提出一种中继辅助的安全极化编码方法,保证私密信息可靠传输的同时,达到提高安全传输速率的目的。首先,发送端分别进行两层极化编码——中继概率转发行为构成的虚拟二进制删除信道下的极化编码和实际传输信道下的极化编码,并将私密信息分别隐藏在两层码字中,分时隙广播出去。然后,中继依概率译码后提取出合法用户无法直接接收的固定信息再次进行安全极化编码并转发。最后,接收端利用收到的中继转发码字和发端码字依次分层进行译码。理论和仿真分析证明,所提方法下合法用户能够可靠接收私密信息,而窃听者无法获取任何私密信息信息量;安全传输速率随着码长和中继转发概率的增加而增大,且高于一般的安全极化编码方法。     

Nakagami信道下MIMO解码转发中继系统的安全性能分析

在协同自适应解码转发中继系统中,该文针对Nakagami-m衰落信道,研究了基于多天线低复杂度的机会式传输策略的物理层安全性能。为充分利用天线分集增益提升系统安全性能,发送节点均采用发送天线选择策略,接收节点均采用最大比合并策略。推导了系统安全中断概率的闭合表达式,并进一步提供了渐近性能分析,得到了系统的安全分集阶数。仿真结果验证了理论分析的正确性,并揭示了各系统参数对机会式传输方案的安全性能的影响。结果表明,通过增加合法节点的天线数和增大合法信道的Nakagami衰落信道参数可显著提升系统安全性能。     

异构密集网中一种抗多窃听者的协作安全波束成形方案

为保证异构密集网中多个窃听者联合窃听时宏基站用户的下行通信安全,该文提出一种抗多窃听者的协作安全波束成形方案。该方案通过联合设计宏基站和微基站的最优协作波束成形矢量,使保密信息传输速率提升的同时,其他用户的下行信号进一步干扰窃听者,从而最大化系统安全速率。为获得最优的协作波束成形矢量,在考虑其他合法用户的服务质量及基站功率限制时,对该安全速率最大化问题进行建模。采用半定松弛技术及Lagrange 对偶理论将原始的非凸优化问题转化为一系列的半定规划问题进行求解。仿真结果验证了所提方案的有效性和安全性。     

基于人工噪声预编码的多天线中继安全性能分析

为提升存在窃听者的中继网络的安全性能,在多天线放大转发中继端采用人工噪声预编码(ANP)和特征波束形成(EB)安全传输策略,推导了ANP和EB的可达安全速率(EASR)闭合表达式。在中继配置大规模天线时,推导了ANP的EASR下界,并在高信噪比和低信噪比情况下研究了渐近性能。分析和仿真结果显示,在中高信噪比区域,ANP相比于EB可获得显著的性能增益,而在低信噪比区域,EB优于ANP。当信噪比增加时,EB的EASR接近一个与第1跳无关的常数。在高信噪比区域,ANP的最优功率分配方案是将一半左右的功率分配给人工噪声。     

多用户大规模MIMO自适应安全传输策略

大规模MIMO系统采用空分多址可以提高系统吞吐量,同时利用多用户下行信号的相互协作可以对窃听者造成叠加干扰,带来了天然的安全增益。但目前该系统的物理层安全研究仍采用传统的人工噪声方案,忽略了多用户信号干扰带来的安全增益,造成严重的功率浪费。针对这一问题,该文分析了多用户信号干扰对系统可达平均安全速率和平均安全能效的影响,给出了系统的最佳接入用户区间。研究发现,在系统接入用户数较少和用户数较多时,系统安全能力较弱,针对此分别提出了N波束加扰和基于用户位置的用户调度的自适应安全传输策略。最后通过仿真验证了理论推导和所提策略的有效性,利用该文所提策略,能够保证系统天然安全能力不足时的安全通信。