隐藏有限字符特性的跳空安全传输方法

针对无线数字通信系统,从信息论角度推导了一个保障物理层安全传输的充分条件,并提出了一种隐藏有限字符特性的跳空安全传输方法。首先,在有限字符输入系统中,多天线窃听者具有离散有噪无损信道（Discrete Noisy Lossless Channel ,DNLC ）结构,可以恢复保密信号,致使人工噪声方法失效,因此破坏窃听者的DNLC结构是保证系统传输安全的一个充分条件。然后,利用无线信道特征的多样性和独特性,提出一种基于多输入多输出（Multiple In-put Multiple Output ,MIMO）系统的跳空安全传输方法,在传输信息的过程中随机切换收发天线并发送空域干扰,可以隐藏保密信号的有限字符特性并破坏窃听者的DNLC结构。最后,理论分析和仿真结果表明了该安全方法的有效性。     

有限字符输入的空间调制物理层安全传输方法

针对有限字符输入系统的无线物理层安全传输问题,提出了一种空间调制安全传输方法。该方法以信息论为基础,利用多输入多输出(MIMO,multiple-input multiple-output)系统的接收天线索引承载信息,通过切换接收天线随机化窃听者的等效信道,保证物理层安全传输。首先分析了该空间调制传输系统中合法用户和窃听者的不同接收性能。然后计算出安全传输系统的保密互信息,指出获取正的保密互信息的2个充分条件。最后给出信道互信息的估计算法,并利用有限字符集的对称性进一步降低了计算复杂度。理论分析和数据仿真验证了该安全传输方法的可行性和有效性。     

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。      

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。     

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)。     

基于混合信号的放大转发中继系统的物理层安全传输

中继系统可以增强物理层安全算法的系统性能,这种系统一般包含两阶段的通信过程:从信源到中继节点,在从中继节点到目的节点.通常来说,第一阶段的信息传输缺乏保护,如果窃听者距离信源节点比较近的话,系统性能就无法保证了.该文提出了一种基于混合信号的三阶段的传输方法确保整个传输过程中的保密性能,这样,当窃听者接近信源节点的时候,仍可以保证系统的安全性能.这种方法的优化解是一个复杂的非凸优化问题,该文中建议了一种低复杂度的次优解来解决其中的优化问题.理论分析以及方针结果证明,该方法可以有效确保系统的全过程的安全性能.     

有限字符输入下AF中继系统安全互信息量分析及功率控制策略

本文针对有限字符输入下多中继通信系统,推导了源和中继节点总功率受限条件下的安全互信息量。在已知理想信道状态信息的条件下,给出了一种基于对窃听节点迫零的波束赋形方案,并设计了一种提高安全互信息量的功率控制策略。针对所提功率控制策略,研究了该策略下目的节点和窃听节点的平均误符号率性能,分析表明该策略在高信噪比下存在误码平层。针对误码平层缺陷,本文提出了一种高信噪比下适当增大源节点发射功率的改进方案。改进方案虽然损失了部分安全互信息量,但换来误符号率的明显改善,消除了功率控制方案的误码平层问题。      

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。     

5G通信中的增强物理层安全信号处理技术探讨

本文主要针对5G通信中,关于增强物理层信号安全性的技术.这技术可以在数据发射和信道预判这两个阶段实现.在数据发射时,可以通过波束赋形环节来让整个信号质量得到提升,进而有效限制窃听者所能得到的信号强度.除此以外,对于人工噪声进行波束赋形也可以进一步限制窃听者所能够截取的信息.而在信道预判阶段,通过训练过程可以让窃听者的信道性能进一步恶化,这样可以从整体上提高数据信号发射的效果.     

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。     

一种有限字符输入的线性预编码设计算法

针对有限字符输入下多输入多输出(MIMO)信道的互信息最大化问题,该文提出一种复杂度低的线性预编码算法。该算法根据水银/注水理论,融合基于均匀旋转的空时-线性星座预编码(Space-Time Linear Constellation Precoding,ST-LCP)矩阵的预编码方法和最大化最小输出向量信号间距的方法,从两者中选择互信息更高者用于预编码。然后,在基于均匀旋转的ST-LCP矩阵的预编码方法中,把MIMO信道的奇异值矩阵作为功率分配矩阵,并提出局部搜索和矩阵加幂两种改进措施。最后,利用有限字符集的对称性,进一步降低了互信息的计算复杂度。该算法在各种信道和信噪比条件下均能逼近互信息的理论最大值,并且减少甚至避免了搜索,计算复杂度大大下降。仿真结果验证了该算法的有效性。     

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。     

基于随机天线阵的物理层安全通信系统峰均功率比问题研究

采用多天线发射方式保障通信信息的安全传输是物理层安全通信研究领域中常采用的手段之一,但这种方式会导致发射信号高峰均功率比的缺点,从而影响合法用户的通信性能。该文从多天线发射的加权系数出发,定义了基于多天线发射方式的物理层安全通信信号峰均功率比(PAPR)概念,并且针对随机天线阵物理层安全通信系统提出一种基于部分传输序列的物理层安全通信信号PAPR抑制算法。仿真结果表明该文提出的PAPR抑制算法能在不降低发射信号安全性能的条件下有效地降低发射信号的PAPR值。     

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。     

基于演化博弈机制的物理层安全协作方法

在无线网络中,当利用经典博弈机制研究物理层安全时,能量受限的发送端为了最大化自身安全速率,趋向于选择非协作策略,造成网络的安全速率降低。针对这一问题,该文提出一种基于演化博弈机制的物理层安全协作方法。首先,根据演化博弈机制定义策略(发送人工噪声或信号)和收益(不同策略组合下的安全速率);然后,发送端根据当前网络状态以及协作收益与平均期望收益的差值,不断进行策略调整以最大化收益;最后,通过求解获得使发送端达到协作稳定策略的条件,使网络从不稳定状态向协作稳定状态演化,从而提高了系统的安全速率。仿真和分析结果表明,在高斯信道条件下,相比经典博弈方法,该方法的发送端策略稳定在协作状态,网络安全速率可提高1 bit/(s Hz)。     

车载移动通信网(VANET)物理层安全问题

基于Ad Hoc网络的车载移动通信网(VANET)由于网络基础的原因,以及VANET自身的特点,带来了很多安全的问题。根据VANET的特点,对VANET进行自顶向下的分层,并针对物理层的攻击进行总结和归纳,再利用现有技术对其中一些攻击给出应对措施。底层的物理层安全的保证对整个VANET的安全至关重要。     

联合发端天线选择和收端人工噪声的物理层安全传输方法

该文在同频全双工技术快速发展的背景下,针对物理层安全研究中波束成形技术的高复杂度和发端天线选择(TAS)技术的低性能,提出一种联合发端天线选择和收端人工噪声(AN)的物理层安全传输方法TAS-rAN。首先,有多根天线的发端,利用天线选择技术,选取能使合法接收方接收信噪比最大的天线发送保密消息;其次,有同频全双工能力的收端,在接收到消息的同时,发送人工噪声来扰乱窃听方对保密消息的窃听。在Nakagami-m信道下,推导了安全中断概率的闭合表达式,并基于此,得到非零安全容量的概率表达式;通过渐进安全中断概率的推导,得到TAS-rAN方法的安全分集度。仿真结果表明,与已有的TAS-single和TAS-Alamouti方法相比,TAS-rAN安全方法具有较强的稳定性,且能提供更优的安全性能。     

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。