多窃听者场景下TASP/MRC系统的物理层安全性能分析

为评估信道预测发射天线选择(TASP)/接收最大比合并(MRC)联合收发分集无线通信系统在瑞利块衰落信道条件和多窃听者场景下的物理层安全性能,针对基于最小均方误差信道预测器的TASP/MRC无线通信系统,推导其非零安全容量概率、安全中断概率以及渐近安全中断概率的精确解析表达式。在此基础上,分析窃听者数目、归一化延时、收发天线数等参数对系统物理层安全性能的影响。数值计算与仿真结果表明,在TASP/MRC系统中,减小归一化延时及窃听者数量或增加合法接收端天线数能够提高物理层安全性能,在高信噪比情况下,物理层安全分集增益等于合法接收端天线数,而与窃听者数目及其收发天线数无关。     

信道预测和联合收发分集的RQAM误符号率性能分析

为解决采用最小均方误差维纳信道预测的发射天线选择(TASP)/接收天线最大比合并(MRC)的无线通信系统设计问题,利用矩生成函数法和高斯Q函数的近似表达式,分别推导了时间选择性瑞利块衰落信道上矩形正交幅度调制(RQAM)和差分编码四相相移键控(DE-QPSK)的平均误符号率(ASER)的精确及近似表达式。数值计算和仿真结果证明了RQAM与DE-QPSK的ASER精确分析的正确性和近似分析的准确性,从而可以快速地确定收发天线数、信道预测器参数以及各种信道参数等对TASP/MRC系统ASER性能的影响。     

自适应MIMO系统在反馈延时下的性能分析

为了提高无线通信系统的频谱利用率,提出一种简单而实用的开环自适应MIMO系统,利用最优贪婪调度算法,在多用户分集和多天线分集的作用下,有效地改善系统的性能.推导了在反馈存在延时的信道条件下频谱效率和中断概率的闭合表达式、分析了发射天线数、重传、用户数以及延时对系统整体性能的影响.     

多天线无线传感器移动通信网络的物理层安全性能

随着第五代移动通信技术的发展,无线传感器通信网络成为学术界研究的热点,但是由于信道存在开放性、无线终端与网络构架存在移动性和多样性的特征,使得无线传感器通信网络的物理层安全成为一个亟待解决的问题,在2￣Nakagami信道下,基于Wyner窃听模型,研究了基于天线选择算法的无线传感器通信系统安全性能。针对最佳天线选择算法和次最佳 天线选择算法,分别推导了安全中断概率SOP(Secrecy Outage Probability)的精确表达式。对于最佳天线选择算法,又推导了其SOP下界的闭合表达式,然后不同条件下的安全性能,通过Monte-Carlo仿真得到了验证,通过仿真结果得出:理论值很好的拟合了Monte-Carlo仿真值,其正确性得到了验证,增加发射天线数可以很好的改善系统的SOP性能。     

移动无线传感器协作网络的中断概率性能研究

随着物联网技术的发展,移动无线传感器协作网络成为了研究热点。但是由于信道的开放性,移动无线传感器协作网络的性能研究较为复杂。在N-Nakagami信道下,建立了移动无线传感器协作网络模型,设计了两种发射天线选择(Transmit Antenna Selection,TAS)方案,研究了移动无线传感器协作网络的中断概率(Outage Probability,OP)性能。移动无线传感器协作网络采用放大转发策略,针对最佳TAS方案和次最佳TAS方案,分别推导了系统中断概率的闭合表达式。然后,通过不同条件的Monte-Carlo仿真,验证了系统的中断概率性能。仿真结果表明理论值很好的拟合了Monte-Carlo仿真值,其正确性得到了验证;增加发射天线数可以很好的改善系统的中断概率性能。     

基于大规模MIMO技术的中继协作物理层安全研究

传统无线通信的安全依靠上层加密,无法保护物理层的安全。为了克服传统无线通信系统加密的不足,采用人工噪声(Artificial Noise)生成和随机预编码器来研究中继协作下大规模多输入多输出(MIMO)下行链路系统的安全传输方法。针对估计的信道状态信息推导出和速率表达式,分析得出用户节点上的保密率。针对基站处的最小均方误差预编码器(MMSE)和迫零(ZF)预编码器,分析对比其性能差距。理论分析和仿真结果表明,该方法可以为大规模MIMO中继系统设计安全的物理层传输策略,且MMSE预编码器比ZF预编码器表现出更好的保密性能。     

异构蜂窝无线网络安全关键技术研究

针对异构蜂窝无线网络物理层安全性低的问题,通过在宏基站处设计一个特殊发射信号,来消除宏用户处接收到的小基站干扰信号,并采用增加分布式天线数量来提高宏蜂窝和小蜂窝的安全性可靠性折中性能,提出一种安全性可靠性折中的干扰消除机会天线选择(Interference-Canceled Opportunistic Antenna Selection, IC-OAS)方案,并推导得出方案的窃听概率和中断概率,表征方案的安全性可靠性折中性能。数值结果表明,所提IC-OAS方案有效消除了宏用户处来自小基站的信号干扰,提高了整个异构蜂窝无线网络的物理层安全性。相较于传统干扰受限机会天线选择(Interference-Limited Opportunistic Antenna Selection,IL-OAS)方案,所提IC-OAS方案在总和IOP方面具有明显的优势,且随着小蜂窝与宏蜂窝功率比的提升,优势更明显,具有一定的有效性。     

部分信道特征下的物理层安全编码方法

针对部分信道特征(授权信道特征存在估计误差且窃听信道特征未知)下的物理层安全传输问题,结合人工噪声和安全编码,提出了一种实用的物理层安全编码方法。多天线发射机采用波束成型传输信号时添加与授权信道特征正交的人工噪声,利用交织LDPC码缩小安全距离,在授权信道SNR约束下求最小私密中断概率,实现功率优化分配,尽可能使窃听信道保持低SNR高BER,授权信道保持高SNR低BER,从而实现物理层安全传输。仿真结果表明,在授权信道SNR约束下,本方法可以实现较低的私密中断概率。     

联合多用户调度与协作干扰选择的无线物理层安全研究

物理层安全策略作为一种利用无线信道物理特 性来对抗窃听者的有效手段,已经吸引了越来越多的关注。本文重点研究多用户调度与协作 干扰技术在无线通信物理层安全方面的表现,并将两种技术有机结合,深入研究无线网络的 通信安全。通过联合采用多用户调度方案与协作干扰技术以增强无线通信安全,在多用户无 线通信网络中,采用多用户调度策略,在选择最优信道进行通信的同时,对窃听节点进行协 作干扰,在合法用户端通过波束权重矩阵对干扰信号进行合并以消除干扰信号对接收端的影 响,最终达到在不干扰合法通信的前提下极大地干扰窃听信道,最终增强无线网络的通信 安全。数值仿真表明,联合多用户调度与协作干扰的方案的安全中断概率明显低于仅采 用多用户调度的方案。     

平面大规模天线阵列的窃听检测方案

物理层安全机制可以为无线通信提供有效的保密机制,为后期保密通信降低系统复杂度。提出了一种基于大规模平面天线阵列的物理层安全机制,即主动窃听的检测方案。该方案针对时分双工模式下的莱斯信道模型,仅在假设合法用户莱斯因子和基站噪声功率已知的情况下,即可有效检测窃听用户。仿真结果表明,所提出的检测方案性能随着天线个数、莱斯因子的增加而提高。此外,该方案的性能不随用户的位置而改变,可在三维空间全方位地检测窃听。     

Physical layer security via maximal ratio combining and relay selection over Rayleigh fading channels

In this paper, the impact of both maximal ratio combining (MRC) and relay selection on the physical layer security in wireless communication systems is investigated by analyzing critical issues such as the probability characteristics of the legitimate receiver (Bob) and malicious eavesdropper (Eve)’s end-to-end signal-to-noise ratio (SNR), the secrecy outage probability and the average secrecy channel capacity over Rayleigh fading Channel, etc. Unlike the conventional physical layer security schemes, we assume that Bob receives its data from both the relay and the source via cooperative relay, provided that MRC is employed at the receiver. Particularly, compared to the conventional MRC methods, the proposed method is capable of achieving a higher spatial diversity order by performing relay selection, as validated by performing the theoretical analysis as well as numerical simulation. Furthermore, the closed-form expressions in terms of secrecy outage probability and average secrecy capacity are all consistent with the numerical results. Finally, the proposed scheme may be substantially affected by a number of parameters such as the number of relays, the SNR of links and the ratio of main-to-eavesdropper ratio (MER) λ_ME.     

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。     

Physical layer security in multi-antenna cognitive heterogeneous cellular networks: a unified secrecy performance analysis

Cognitive heterogeneous cellular networks (CHCNs) are emerging as a promising approach to next-generation wireless communications owing to their seamless coverage and high network throughput. In this paper, we describe our reliance on multi-antenna technology and a secrecy transmission protocol to ensure the reliability and security of downlink underlay CHCNs. First, we introduce a two-tier CHCN model using a stochastic geometry framework, and derive the probability distribution of the indicator function for a secrecy transmission scheme. We then investigate the connection outage probability, secrecy outage probability (SOP), and transmission SOP of both primary and cognitive users under a secrecy guard scheme and a threshold-based scheme. Furthermore, we reveal some insights into the secrecy performance by properly setting the predetermined access threshold and the radius of detection region for the secrecy transmission scheme. Finally, simulation results are provided to show the influence of the antenna system, eavesdropper density, predetermined access threshold, and radius of the detection region on the reliability and security performance of a CHCN.     

无线通信物理层安全方法综述

随着无线终端数目的急剧增加以及无线网络的开放性,无线通信的安全问题面临着严重的挑战。与传统加密方法不同,无线通信物理层安全方法从信息论的角度出发,旨在实现无条件安全。本文回顾了Shannon建立的无线通信物理层安全模型,并着重回顾了由Wyner引导的无密钥安全和由Maurer引导的基于无线信道密钥的两大物理层安全分支的发展。其中前者通过波束形成或人工噪声的方法增加合法信道和窃听信道之间的差距;后者则利用无线信道的特性,将其作为产生密钥的天然随机源。在第五代移动通信方式下,物理层安全可以实现轻量级的加解密技术,解决传统加解密延时过长的问题。然而虽然物理层安全的理论研究已日趋成熟,该领域在实际应用中仍有很多问题亟待解决。     

全双工无线供能物联网的物理层安全性能分析

面对干扰和窃听,传统的安全信息传输大都基于密钥加密的方法,在面向动态变化无线网络环境时会产生对称性密码系统的密钥分配、非对称性密码系统的高计算复杂度等问题。而快速增长的无线业务流量和物联网类型的海量设备接入,会引起计算复杂度的进一步提升和能量开销的激增。针对此问题,提出一种基于物理层安全技术的全双工无线供能物联网的安全通信方法,利用噪声和无线信道随机性来限制窃听者接收信息量。该方法首先基于信息论对全双工无线供能物联网安全容量进行分析,然后根据安全容量的分析模型推导得到了安全中断概率（SOP）的闭合表达式。最后,考虑到噪声、干扰机干扰、空间互干扰,以及残余自干扰等因素对安全容量的影响,提出一种全双工无线供能物联网安全波束成形方法,该方法通过降低联合干扰来增加发送和接收端的互信息量,提高全双工无线功能物联网的安全容量。通过蒙特卡罗仿真验证了推导结果的准确性,仿真结果表明,在安全容量和SOP指标上,全双工无线供能物联网比传统半双工无线功能物联网有较大性能增益。     

同步协作中继系统的波束形成通信方案的设计*

从多输入多输出（multiple-input and multiple-output,MIMO）系统所设计的Alamouti码中得到启发,针对在无线协同信道之上的同步协作中继系统提出了一种新的通信方案。为了在大中断率和低成对误码率(PEP)的情况下能有效地传送信号,源天线采用功率分配波束形成技术,中继节点采用放大转发(amplify and forward,AF)技术。研究和仿真表明,对给定效率R,所提出的模型与以前的通信方案尤其是广播通信模型相比,在中断率和成对误码率上都有明显的改善。这一发现可能会对未     

智能反射面辅助无人机的物理层安全传输方案

在无线通信系统中,信息发送端和接收端之间的通信链路易受到建筑物的遮挡和非法者的主动窃听。利用无人机（unmanned aerial vehicle,UAV） 灵活的移动性以及智能反射面（intelligent reflective surface,IRS） 在无线环境中智能可控特性,提出一种智能反射面辅助无人机的物理层安全传输方案,以最大化系统平均保密率。该方案首先采用块坐标下降法将最大化系统平均保密率问题分解为UAV-IRS飞行轨迹优化、IRS相移优化以及系统传输功率优化三个子问题。其次,通过引入松弛变量、相位对齐以及逐次凸逼近方法将每个子问题转换为凸优化问题。最后,再运用交替优化方法逐次求解三个凸优化问题。数值仿真结果表明,系统平均保密率与源节点发射功率、UAV-IRS飞行位置和高度、IRS反射元件数量等因素有关。并且与另外两个基准方案相比,所提的方案能有效地提高系统的平均保密率,并且具有较好的收敛性。     

联合考虑主用户QoS和安全约束下认知NOMA安全传输

本文研究了认知非正交多址接入(NOMA)网络中联合考虑主用户服务质量(QoS)约束和安全约束下次用户物理层安全传输.该网络中采用认知功率分配策略,优先保障主用户的QoS和安全性能.在此功率分配方案下,推导得出了次用户连接中断概率(COP)和安全中断概率(SOP)的闭式表达式,揭示了系统参数配置对次用户传输可靠性和安全性的影响关系,以及安全性-可靠性之间的折衷关系.仿真结果表明,较强的主用户安全约束恶化了次用户的安全性能,但是提升了次用户的安全-可靠折衷性能.