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IRS的无人机安全通信能耗优化

为了提升系统有窃听者存在时的安全能耗效率,设计了一种基于智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)的安全能耗优化算法。该算法以最大化系统安全能耗效率为目标求解无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)飞行轨迹、基站发射功率和IRS反射相位的联合优化问题。由于该联合优化问题是多变量耦合问题,将其解耦为单独优化无人机基站轨迹、IRS相位矩阵和基站发射功率的三个子问题,最后用连续凸逼近的方法进行求解。实验结果表明,对于反射单元数量为64的IRS,所提出的基于IRS的能耗优化算法相比传统安全速率优化算法能提升系统10%的安全能耗效率。而相比不使用IRS的优化算法,能提升系统300%的安全能耗效率,并且提升倍数还将随着IRS反射单元数量增加而增加。     

智能反射面实现空间调制的安全系统性能分析

为了解决安全空间调制系统中合法信道增益差的问题,提出了一种用智能反射面(Intelligent Reflective Surface,IRS)实现空间调制的物理层安全传输方案。IRS接收到发射端发射的幅相调制信号后,通过选择不同的IRS反射元件序号对空域部分信息进行映射,再将信号反射到接收端,以增大窃听端获取完整信息的难度。此外,在发射端采用波束赋形和天线分集技术,提高了系统有效性和可靠性。对系统的保密速率和误比特率进行的理论分析和仿真实验结果表明,所提方案不仅可以提高系统保密速率,还可以降低合法接收端的误比特率。     

基于智能反射表面辅助的MIMO无线通信密钥快速生成

近来,结合智能反射表面(IRS)辅助无线通信的密钥生成技术引发了学界的兴趣。然而目前的工作仅针对在单天线收发(SISO)系统中引入IRS辅助密钥生成,其IRS对密钥生成速率的提升效率不够高。针对此问题,该文研究了基于IRS结合MIMO系统的无线密钥快速生成方案,通过控制IRS反射合法双发与IRS之间的MIMO信号来构建等效的快速信道,可更显著地提升密钥生成速率(KGR)。该文首先从信息论角度对所提方案的密钥速率和安全性进行了分析与证明,推导了密钥速率性能上界的表达式。基于此,从不同的窃听场景出发,分析窃听者分别靠近合法收发方和IRS进行窃听时,其靠近的距离对密钥生成速率性能的影响,发现所提方案在密钥速率和安全性能上均得到显著提升。最后,通过仿真验证了所提方案的有效性和理论分析的正确性。     

智能反射面辅助的抗干扰安全通信系统鲁棒资源分配算法

为了解决恶意干扰攻击、窃听和不完美信道状态信息造成的通信质量降低和安全性差等问题,该文提出一种智能反射面(IRS)辅助的抗干扰安全通信系统鲁棒资源分配算法。首先,基于合法用户的最小安全速率约束、最大发射功率约束和IRS相移约束,在非法节点不完美信道状态信息、干扰器波束成形向量未知的情况下,构建了一个联合优化基站的波束成形向量、人工噪声的协方差矩阵和IRS的相移矩阵的鲁棒资源分配问题。其次,为了求解该非凸问题,利用交替优化、Cauchy-Schwarz不等式、连续凸逼近和泰勒级数展开等方法,将原问题转化为易于求解的凸优化问题。仿真结果表明,与传统算法相比所提算法能有效提高系统安全性、降低功率开销、提高抗干扰裕度,且在一定信道误差范围内能够减低约35%的保密中断概率,具有较强的鲁棒性。     

IRS辅助的共生无线电系统鲁棒优化算法设计

共生无线电技术可用于提高频谱效率与能量效率,但其中物联网接收机的接收信号强度较弱,在共生无线电系统中部署智能反射表面是针对该问题的一种有效解决方案。首先,在完美信道状态信息可知时,考虑基站信息速率要求、反射单元相移的约束、反向散射设备的解码顺序与反射系数的约束,联合优化无源波束赋形与反向散射设备的反射系数来最大化所有反向散射设备中最小的吞吐量。然后,考虑到系统中的实时完美信道状态信息很难获得的问题,提出了针对不完美信道状态信息的鲁棒优化算法。仿真结果验证了智能反射表面可使共生无线电系统性能大幅提升,相较于保守方法,所提的鲁棒优化算法可降低不完美信道状态信息造成的性能下降。     

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。     

IRS和人工噪声辅助的MIMO-SWIPT系统安全传输方案设计

针对多天线无线携能通信系统中能量收集节点作为潜在窃听者的信息安全问题，提出了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)和人工噪声辅助的物理层安全传输方案。首先考虑发射功率、能量收集门限以及IRS单位模约束，以最大化系统安全速率为优化目标，在合法用户直射链路不可用的情况下，联合设计发射端波束赋形矩阵、人工噪声协方差矩阵以及IRS相移矩阵，建模一非线性多变量耦合的非凸优化问题；接着利用均方误差准则等价转换非凸目标函数，并利用连续凸逼近方法(Successive Convex Approximation, SCA)处理非凸的能量收集约束；最后基于交替优化框架，分别用拉格朗日对偶方法和基于价格机制的优化最小化(Majorization-Minimization, MM)算法求解发射端变量和IRS端变量。仿真结果表明，与现有方案相比，所提算法能够在保障能量收集需求的同时大幅度提升系统的安全性能。     

面向窃听用户的RIS-MISO系统鲁棒资源分配算法

针对信道不确定性影响、用户信息泄露和能效提升等问题,该文提出一种基于不完美信道状态信息的可重构智能反射面(RIS)多输入单输出系统鲁棒资源分配算法。首先,考虑能量收集最小接收功率约束、合法用户最小保密速率约束、基站最大发射功率约束及RIS相移约束,基于有界信道不确定性,建立一个联合优化基站主动波束、能量波束、RIS相移矩阵的多变量耦合非线性资源分配问题。然后,利用Dinkelbach,S-procedure和交替优化方法,将原非凸问题转换成确定性凸优化问题,并提出一种基于连续凸近似的交替优化算法。仿真结果表明,与传统非鲁棒算法对比,所提算法具有较低的中断概率。     

基于混合精度ADC的大规模MIMO中继系统物理层安全性能研究

研究多天线窃听者场景基于混合精度模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)中继系统,中继将接收到的信号放大转发,通过在基站采用最大比合并接收信号,推导出合法用户与窃听者的频谱效率表达式,最终得出系统保密频谱效率表达式.根据能量效率定义建立功耗模型,推导保密能量效率表达式,并分析保密频谱效率和保密能量效率之间的平衡关系,进而揭示基站天线数、ADC量化位数等参数对物理层安全性能的影响.仿真结果表明,随着窃听者天线数增多,窃听能量增强,保密频谱效率会减小;ADC量化位数为4时,在保证保密频谱效率的同时也能得到较高的保密能量效率.     

Proactive Eavesdropping via Pilot Contamination and Jamming

Proactive eavesdropping is a new paradigm shift in wireless physical layer security from preventing conventional eavesdropping attacks to legitimate intercepting suspicious communications, which has attracted a lot of attention recently. Pilot contamination is one effective technique in proactive eavesdropping, which spoofs the suspicious transmitter on channel estimation by sending the same pilot signal as the suspicious receiver, and lets it leak information in the direction of the legitimate eavesdropper during its transmission. However, this technique may fail when an anti-pilot-contamination mechanism called “energy ratio detector (ERD)” is applied at the suspicious receiver. To deal with the case that the suspicious receiver is a smart device using ERD, in this paper, we study using pilot contamination along with jamming to improve the legitimate eavesdropping performance. We first derive a closed-form expression for the probability of pilot contamination being detected by the suspicious receiver, and use it to obtain a closed-form expression for the eavesdropping rate. Using this theoretical analysis result, we propose an algorithm to maximize the eavesdropping rate by jointly optimizing the pilot contamination power and jamming power via two-dimensional search. Simulation results show that the proposed eavesdropping rate maximization algorithm can significantly improve eavesdropping rate, as compared to other benchmark schemes.     

恶意导频干扰对采用人工噪声方案系统的安全性能影响分析

针对窃听方发送恶意导频干扰破坏系统安全性能的问题,本文将研究场景扩展到三节点MIMO(Multple-Input Multiple-Output)网络,首先分析存在恶意导频干扰时最小二乘和最小均方误差准则下的信道估计结果,并推导基于人工噪声的系统安全速率公式,得出当窃听方到达发送方的导频干扰功率大于合法接收方达到的功率时,安全速率值只能为零.然后,进一步分别研究半双工窃听方和全双工窃听方场景下的最优功率分配方案.最后,通过数值仿真分析窃听者位置、窃听者类型和干扰功率等因素对安全性能的影响.     

测量基对BB84协议安全性影响

 该文分析了窃听者采用不同测量基对经典BB84量子密钥分发协议进行测量重发攻击所能获得的信息量以及在接收端造成的比特错误概率,得到合法用户判断是否存在窃听重发攻击的比特错误率上限低于15%,从而为合法通信者间的安全通信和对窃听者的检测提供了新的判定依据。     

能量采集技术在主动窃听系统中的应用研究

结合传统物理层安全中的能量采集技术,考虑了基于能量采集技术的可疑通信网络下的主动窃听场景,该场景中无源主动窃听者将从可疑发送者采集到的能量用于合法干扰与窃听。接着分析推导了这一场景下的窃听不中断概率的半闭合表达式,并仿真验证了各因素对窃听性能的影响情况。结果表明,能量采集时间、采集效率与可疑接收者的发射功率都是影响窃听者性能的主要因素,且相互之间都存在正比关系,但窃听性能与发送者采集效率无关。     

Design of precoding matrices in MIMO full duplex two-way security communication system

The design of precoding matrices was studied in the multiple input multiple output (MIMO) full-duplex two-way security communication system where legitimate nodes transmit the confidential information accompanied by the artificial noise while receiving information.For the scenario where the perfect channel state information (CSI) of legitimate channels and eavesdropping channels was available,the difference of concave/convex (DC) programming was used to optimize the precoding matrices of the information signal and the artificial noise for the maximization of the secrecy sum rate.For the scenario where the CSI was imperfect,the channels were modeled by using worst-case criterion and the weighted minimum mean square error algorithm was used to get the robust precoding matrices of the information signal and the artificial noise.The simulation results prove that the proposed algorithm can effectively promote the secrecy sum rate of the system.     

MIMO异构网络中一种基于人工噪声的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方案

为保证MIMO异构网络面临多天线主动窃听时的安全性,该文提出一种基于人工噪声的抗主动窃听者的鲁棒安全传输方案。首先,考虑窃听者发送上行导频干扰的情形,研究了其发送的上行导频干扰对合法用户信道估计的影响。随后,基于信道估计结果对宏基站、微基站的下行数据与噪声信号的预编码矩阵进行设计,并推导了此种情形下系统安全速率的表达式。然后,以系统安全速率最大化为目标对基站的下行数据与噪声信号的发送功率进行优化设计,并提出一种基于1维线性搜索的求解方法。进一步地,考虑窃听者在发送上行导频干扰后,继而发送噪声干扰用户下行通信的情形,提出一种基于离散零和博弈方法来获取最优的发送功率设计。仿真结果验证了所提方案的安全性和鲁棒性。     

Information leakage in bi‐directional IFD communication system with simultaneously transmitted jamming sequence

In this paper, we describe a simultaneously transmitted jamming (ST‐jamming) for bi‐directional in‐band full‐duplex (IFD) system to improve information security at the physical layer. By exploiting ST‐jamming, each legitimate user transmits data samples and jamming samples together in one orthogonal frequency division multiplexing symbol according to given traffic asymmetry. Regardless of the traffic difference in both directions in IFD communication, eavesdropping of confidential information is prevented in both directions simultaneously without the loss of data rate. We first propose an encoding scheme and the corresponding decoding scheme for ST‐jamming to be used by the legitimate users. In addition, we study a transceiver structure of the legitimate users including a baseband modem uniquely designed for the use of ST‐jamming. The leakage of confidential information at an eavesdropper is then quantified by studying the mutual information between the confidential transmit signals and the received signals of the eavesdropper. Simulation results show that the proposed ST‐jamming significantly reduces the leakage of legitimate information at the eavesdropper.     

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。