中继网络中不准确信道状态信息下抗多窃听者的物理层安全方案

该文研究存在多个相互勾结的单天线窃听者的多中继传输系统中,采用零空间人工噪声和放大转发的中继波束赋形的物理层安全传输方案。在中继窃听端的信道状态信息不准确的情况下,基于半定规划理论,对中继的波束赋形加权矩阵和人工噪声协方差矩阵进行联合优化,有效减少相互勾结的多个窃听者所获得的信息量,显著提高系统保密容量,是一种具有良好鲁棒性的物理层安全传输方案。仿真结果显示方案具有良好的性能。     

大规模MIMO中继系统中多用户物理层安全传输方案

研究大规模多输入多输出中继网络中的多用户物理层安全传输方案.系统模型中假设窃听节点与源节点和中继节点间都有直接链路,窃听节点可以接收到源节点和中继发送的信号.在不能获得窃听者信道状态信息的情况下,大规模MIMO中继采用简单的最大比合并/最大比发射信号处理方案,并配合中继零空间人工噪声和目的端的协作干扰实现多用户的信息安全传输.对保密速率及其在中继天线数无限增长时的渐近值进行了理论分析,并进行仿真.仿真结果显示系统的保密和速率随中继天线数的增长而增长,最终趋于理论渐近上界值.仿真结果也表明即使窃听节点具有多用户间干扰消除能力,并能同时拦截源节点和中继发送的信号,采用本文的方案仍然能获得可观保密速率.     

毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法

毫米波混合波束成形结构受到日益广泛的认可,但缺乏以安全性为着眼点的混合波束成形算法研究,特别是当窃听者具有多用户译码能力时,系统安全性能无法得到保障。针对上述问题,该文基于人工噪声辅助的思想提出一种毫米波下行多用户系统安全混合波束成形算法。首先,将混合波束成形矩阵的模拟部分和数字部分解耦合独立求解,在充分考虑信道特性的基础上,通过最大化用户接收信号能量和迫零思想分别设计有用信号的模拟和数字波束成形矩阵;然后,通过SVD分解设计人工噪声的基带数字预编码矩阵,将人工噪声置于合法用户零空间。仿真结果表明,人工噪声辅助的安全混合波束成形算法有效解决了存在具有多用户译码能力窃听者时系统的安全问题。     

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.     

多天线携能通信系统中的物理层安全研究

针对多天线无线携能单用户多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统,在能量塔采用时隙切换方案的基础上,考虑信源采用最大比传输、接收方采用选择合并方案、窃听方采用最大比合并方案情况,针对窃听信道的信道状态信息已知和未知的情况,分别推导出系统安全中断概率、窃听概率和遍历安全容量的理论表达式,并通过蒙特卡洛仿真验证了理论表达式的准确性。结果表明,多天线在窃听信道平均信噪比较低的场景下对系统安全性能的提升更为显著;时隙切换因子、发送端能量转换效率的提高对系统窃听概率的降低无贡献,但能降低系统安全中断概率或提高系统遍历安全容量。     

存在辅助节点的MIMO窃听信道安全性能研究

为了提高MIMO窃听信道的可达安全速率,提出了基于广义奇异值分解的合作干扰策略。该策略中源节点和辅助节点同时采用基于广义奇异值分解的波束形成技术,源节点发送消息信号,辅助节点发送独立于消息信号的噪声信号,噪声信号对目的节点和窃听节点都产生干扰。此外设计了源节点和辅助节点采用合作干扰策略时的联合最优功率分配算法。该算法可以实现源节点和辅助节点在总功率受限时的可达安全速率最大化。仿真结果表明,与现有的非合作最优功率分配算法相比,本文提出的合作干扰策略在大信噪比时可以显著提高系统的可达安全速率。      

基于人工噪声的多用户MIMO系统加密算法

当多用户MIMO系统中的用户数多于或等于发射端天线数时,现有的基于人工噪声的物理层加密算法会导致合法用户无法正常接收。为提高此时的多用户MIMO系统的安全性,该文提出一种新的基于人工噪声的多用户MIMO系统加密算法。首先,发送端对多个合法用户进行联合处理,建立多用户联合信道状态矩阵;然后,将联合信道状态矩阵进行奇异值分解,并根据最小的奇异值进行预编码,以消除人工噪声对合法用户的影响;最后,提出一种优化功率分配的方案。仿真结果表明,该算法将多用户MIMO系统的保密容量平均增加了0.1 bit/(s?Hz),从而提高多用户MIMO系统的安全性。     

基于格规约辅助的MIMO系统GMD-TH预编码方案

现有的GMD-TH(Geometric Mean Decomposition-Tomlison Harashima)预编码方案在发射端未对获得MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output)信道增益矩阵优化,因而其误码率和分集增益无法获得令人满意的效果.为此,在原有MIMO系统GMD-TH预编码的基础上,提出梁种基于格规约辅助的GMD-TH预编码方案.该方案采用基于格规约的算法对信道矩阵进行优化,经过优化的信道矩阵其列向量之间具有更好的正交性并且向量的长度更短,并且采用优化的信道矩阵提高了GMD-TH预编码MIMO系统的分集增益.仿真结果表明:相比于传统的线性预编码方案,该预编码方案有效地提高了MIMO分集增益,相同误码率下,信噪比降低3dB以上,具有实用价值.     

高斯窃听信道中删余Polar码的设计方法研究

本文针对高斯窃听信道模型下的物理层安全问题,提出一种基于删余Polar码的、拥有编码比特的可信度计算的物理层安全编码方案。方案考虑到信道噪声对译码结果的影响,通过Bhattacharyya参数评估各信息比特的恢复差错概率,并将这恢复差错概率应用于编码比特的可信度计算。理论证明所提出的方案可使窃听者保持较高误码率,同时合法用户在高于自身信噪比门限时保证较低误码率。数值仿真结果表明所提出的安全编码方案能够有效地减小安全间隙。当窃听信道质量比合法信道质量稍差时窃听者误码率能迅速逼近0.5,而合法信道的误码率能够降到10-5以下,大大地降低了Bob和Eve间的安全间隙。      

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。     

增强物理层安全的联合发射天线选择和人工噪声技术

针对未来多天线通信系统的安全问题,提出了一种增强无线物理层安全的传输策略。该策略基于发射天线的选择以及人工噪声,并采用Alamouti编码。它可以使发射机和接收机以较低的复杂度代价提高合法信道的分集增益,同时有效干扰窃听信道,使通信系统获得更高的安全容量。对系统安全容量、天线数量、以及信息信号与人工噪声之间的功率分配等问题进行了研究,仿真结果表明,该传输策略能够有效地增强物理层安全。      

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。     

有限字符输入系统的物理层安全传输条件

针对无线数字通信系统中人工噪声方法可被多天线窃听者破解的问题,该文提出有限字符输入下物理层安全传输的一个充分条件,并以此为指导设计了一种类符号人工噪声方法。分析表明,人工噪声方法下,有限字符输入信号和窃听者无噪接收信号之间的等效信道是一个离散有噪无损信道(Discrete Noisy Lossless Channel, DNLC)。由于DNLC输入信号的可逆性为窃密提供了必要条件,窃听者通过增加天线可使窃听信道容量达到合法用户的信道容量上限,致使系统的保密互信息为零,因此破坏输入信号的可逆性是有限字符输入下物理层安全传输的一个充分条件。类符号人工噪声方法满足这一充分条件,可以保证物理层安全传输,仿真结果也表明了该方法的有效性。     

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。     

窃听环境下AF中继选择与功率分配的研究

传统的最佳中继选择方案仅参考了合法用户的信道状态信息,在实际的通信系统中由于存在窃听用户而无法保证信息的可靠传输。现有的最佳中继选择方案将窃听用户的信道状态信息纳入考虑后,系统的安全性能得到了一定改善,但是依然采用的是等功率分配。针对放大转发协议,本文在现有最佳中继选择方案的基础上,以降低系统安全中断概率为目标,在系统总功率受限的前提下,根据源节点和中继节点以及中继节点和目的节点间的信道参数引出功率分配因子,对源节点和中继节点间的功率进行适当分配。通过仿真对比,可以发现功率分配能够降低系统的安全中断概率,从而改善系统的安全性能。      

异构携能通信网络中基于人工噪声辅助的鲁棒安全传输方案

异构携能通信网络中信道状态信息不准确时,为保证信息、能量传输的安全性与可靠性,该文提出一种基于人工噪声辅助的鲁棒安全传输方案。通过联合设计宏基站、微基站的下行信息波束及人工噪声矩阵,干扰窃听者,同时提升系统能量接收性能。在基站的发送功率约束、合法用户的信息接收及能量接收中断约束和窃听者的窃听信息中断约束下,以最大化系统能量接收性能为目标进行建模。针对该问题的非凸性,首先将其等效转化为一种易于处理的形式;而后进一步利用Berstein-type不等式处理其中的中断概率约束,将其转化为凸的问题进行求解。仿真结果验证了该方案的安全性和鲁棒性。     

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.     

多用户选择与协作干扰的安全性能分析

研究了一种多用户选择与协作干扰相结合的无线传输模型。在Nakagami-m衰落信道下，考虑到信道中的反馈延迟对信道状态信息的影响，采用合法信道的过时信道状态信息来选择目的用户。采用一般次序选择策略选择目的用户，并结合噪声干扰策略进行干扰，实现信息的安全传输。针对窃听信道两种不同信道状态信息，分别推导了中断概率和窃听概率的准确闭合表达式，并给出二者性能折中的表达式。理论分析与数值仿真表明，减小用户选择参数以及降低信道衰落参数能够有效地改善系统的可靠性与安全性折中安全性能。      

MIMO单载波分数阶傅里叶域均衡系统及最优阶次选择方法

单载波频域均衡（SC-FDE）技术可以有效地克服无线传输中的多径衰落,而多输入多输出（MIMO）能大大提高频谱利用率。两者的结合已成为下一代无线通信系统上行链路的传输方案。然而,当无线信道是快速时变时, MIMO SC-FDE系统的频域信道矩阵将为非对角矩阵,形成严重的频域子信道间干扰,使系统性能急剧下降。针对这一问题,本文采用在分数阶傅里叶域均衡代替传统频域均衡,提出MIMO单载波分数阶傅里叶域均衡（MIMO SC-FrFDE ）系统。通过选择合适的分数阶傅里叶变换阶次,实现分数阶傅里叶域信道矩阵的近似对角化。仿真结果表明,在快速时变信道下,本文提出的MIMO SC-FrFDE系统比传统MIMO SC-FDE具有更好的误码率性能。     

MIM0系统中STTC译码的一种改进型算法

本文对MIMO系统中用于STTC编码器的VA译码算法进行了改进,建立了节点度量的递推方程,并给出了分枝转移的度量方法.改进后的VA算法适用于已经估计出MIMO系统中信道转移阵的条件下.相比于标准的STTC译码算法,改进后的算法可以在一根接收天线上独立进行,并且节点度量可以通过递推方程进行累积.当多根天线独立译码后,可以进一步进行后续比较以再次降低误码率.仿真结果显示:改进VA在比特误码性能上与标准VA算法接近,但是在分段度量计算时收敛速度要远快于标准VA.