面向物理层安全的广义随机空间调制技术

针对窃听信道质量优于合法信道质量时的物理层安全传输问题,提出了一种广义随机空间调制技术。该技术利用合法信道的瞬时状态信息随机扰乱比特到符号的映射关系,实现物理层安全传输。首先给出了广义随机空间调制系统的收发机结构。然后计算了合法接收用户的误码率上界和系统保密容量。从误码率上界的表达式得出,所提广义随机空间调制系统可靠性与传统广义空间调制相同,由此可在不损失系统可靠性的前提下实现安全传输。保密容量的计算表明,安全通信速率不随窃听方天线增多而下降,因此能抵抗具备海量天线的窃听者。最后用仿真验证理论分析的准确性和所提方案的有效性。     

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。     

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。     

基于接收机人工噪声的物理层安全技术及保密区域分析

提出了一种实现无线通信物理层安全的新方法,并从信息论的角度进行了性能分析。此方法通过合法接收者发送人工噪声来干扰窃听者信道,同时通过抵消技术使得自身不受人工噪声的影响。此方法无需信道信息的反馈,能够对抗多天线的窃听者,具有强的鲁棒性。此外基于地理位置信息提出了一种“保密区域”的新概念,可以作为物理层安全的评价标准和设计准则。分析和仿真结果表明所提算法对安全性能的提升较为明显,所提“保密区域”概念能够较好的从地理位置的角度评估物理层安全性能。      

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。     

基于信道CSI的抗窃听信号安全保障方法研究

随着无线通信网络在全球范围内蓬勃发展,无线通信网络中的隐私和安全问题引起了广泛的研究。物理层安全技术方案已被证明是解决未来网络安全性能的重要方案,有望满足日益增长的用户安全通信需求。为了防止窃听者窃取保密信息,在合法信道和窃听信道的信道状态信息（Channel State Information,CSI）已知的情况下,文章提出一种抗窃听物理层安全预编码方案。该方案能够有效提升合法信道的信道容量,在合法用户（Bob）和窃听用户（Eve）之间产生容量差以保证信息的安全传输,同时使得合法用户的中断概率远低于窃听用户,从而保证信息传输的可靠性。仿真结果证明了所提方案的有效性。     

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。     

基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案

针对现有的密钥生成方案需要在通信流程中增加额外的密钥协商协议，导致在5G等标准通信系统中应用受限的问题，该文提出一种基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案。首先基于信道特征提取未协商的物理层密钥，然后针对物理信道与密钥加密信道共同构成的等效信道设计极化码，最后利用未协商的物理层密钥对编码后的序列进行简单的模二加加密后传输。该方案通过针对性设计的极化码纠正密钥差异和噪声引起的比特错误，实现可靠的安全传输。仿真表明，该文基于等效信道设计的极化码在保证合法双方以最优的码率可靠传输的同时可以防止窃听者窃听，实现了安全与通信的一体化。     

一种提高多用户MIMO广播信道安全性能的方案

无线通信的广播特性使得信息容易被非法用户窃听,研究多天线抗窃听技术非常重要。多用户MIMO(MU-MIMO)系统采用块对角化(BD)预编码,可以实现下行链路小区用户之间的防窃听,但是不属于下行链路小区用户的恶意窃听者截获到用户的信道信息时,则很容易窃听到发送给用户的信息。文中通过改进物理层技术保证信息数据安全保密的传输,仿真验证该方案具有很好的抗窃听性能。     

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。      

基于激光传感器网络物理层随机噪声加密方法的研究

为保证激光传感器网络在实行数据和密文传输时的安全性,避免窃听者的窃取,研究激光传感器网络物理层随机噪声加密方法。在激光传感器网络嵌入网关,利用ANSIC在UC/OS-II操作系统编写噪声加密源代码,实现网关对物理层的加密功能。构建密钥和数据窃听信道模型,计算密文符号传递概率,在网络信道中添加随机噪声,使窃听者窃取的密钥和数据中包含大量噪声,加密激光传感网络物理层,提升网络通信和数据传输的安全性。测试结果表明：在数据量较大情况下,噪声数据加密,且可最大程度利用信道噪声确保激光传感网络物理层数据安全,确保网络具有通信最大可达安全速率。     

一种基于友好干扰者协助的区别信道估计机制

在物理层安全中,可以通过抑制窃听者信道估计的准确性间接提高合法接收者和窃听者间的接收信号质量差距,从而提高信号传输安全性.给出一种基于友好干扰者协助的区别信道估计机制,该方案借助于友好干扰者发送人工噪声来干扰窃听者的信道估计过程.进一步,基于窃听者的信道估计误差最大化给出了训练序列和人工噪声之间的最优功率分配,更好地抑制了窃听者信道估计的质量.仿真结果表明,新方法能有效地抑制窃听者信道估计的性能,提高合法接收者和窃听者间的接收信号质量差距.     

多载波系统随机子载波加权的物理层加密算法

针对多载波传输系统中,基于载波资源分配算法在窃听者信道质量优于合法用户的条件下无法实现安全传输的问题,建立了OFDM系统安全传输模型并在物理层提出了一种随机子载波加权的加密算法。该算法将合法通信双方的信道状态信息作为区分不同用户的唯一特征,并以此在发端为每个子载波数据设置随机加权因子扰乱窃听用户接收的信号,而合法用户能够通过发送参考解调算法恢复数据,仿真结果表明,发端采用该算法进行加密后,合法用户的误比特率随信噪比的增加迅速下降,而窃听用户误比特率始终为50%,系统具有一定的保密传输速率,有效实现了信息的安全传输。     

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。     

射频能量采集非可信中继网络中物理层安全传输

射频能量采集技术为能量受限无线通信系统提供了一种有效的能量供给方式.假设能量受限中继节点具有射频能量采集能力,本文设计了中继非可信情况下的物理层安全传输方案,配置多天线的源节点采用发送天线选择策略来增强中继节点的能量采集性能,目的节点发送人工干扰来抑制非可信中继对保密信息的窃听.在瑞利块衰落信道条件下研究了所提方案的物理层安全性能,推导了系统安全中断概率、连接中断概率和安全吞吐量的闭式表达式.计算机仿真验证了理论推导的正确性,揭示了各系统参数对物理层安全性能的影响关系.     

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。     

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.     

一种基于投影的MIMO物理层安全传输方法

为了保证MIMO系统无线传输安全,提出了一种基于投影的物理层安全传输方案。基站在合法信道的投影空间发射相互正交的涉密信号和干扰信号,干扰窃听方恢复信息,同时不影响期望用户接收信号。给出了两种信号保密容量准则下功率分配的迭代算法。通过分析干扰对窃听信号统计特性的影响,证明了对窃听方盲处理造成的不确定度(indeterminacy)。仿真结果表明,该方案具有较高的保密信道容量,在期望用户处获得比已有方案更低的误码率,而窃听方无法正确解调。     

NOMA系统中基于协作干扰的物理层安全方案

针对NOMA系统中的信息安全传输问题,提出基于协作干扰的物理层安全方案,该方案利用外部协作节点发送干扰信号恶化窃听者的接收性能。本文首先利用泊松点过程对协作节点和窃听者的位置进行安全建模,然后推导了随机协作干扰方案下系统保密中断概率的闭式解,但随机协作干扰方案会同时恶化合法用户的接收信号,性能有限,因此提出一种信道增益受限的协作干扰方案,该方案选择到近端用户和远端用户的瑞利信道因子均小于一定阈值的协作节点发送干扰信号,会对窃听者造成更严重的影响。仿真结果表明,在NOMA系统中采用受限的协作干扰方案能够有效提升系统安全性能。      

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。