多天线中继系统中人工噪声辅助的安全波束成形

针对放大转发中继系统中转发信息易被窃听者截获的问题,提出了在中继节点处采用人工噪声辅助的安全波束成形方法。该方法以系统的安全速率最大化（SRM, secrecy rate maximization)为目标,在中继节点的总功率和单个天线功率受限情况下,联合设计最优的中继波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵。由于该SRM问题非凸,设计了双层优化算法,其中采用一维搜索解决外层优化问题,采用半定松弛及内点法解决内层优化问题。理论推导证明,内层优化问题总存在秩为1的最优解,即所采用的松弛技术是紧的。仿真结果表明所提的方法可以显著提高系统的安全性能。     

多中继与多用户选择的中继系统安全性能分析

为了考察使用多中继选择与多用户选择的放大转发（AF）中继系统的物理层安全性能,推导了其在瑞利衰落信道上和联合发送天线选择/接收最大比合并天线分集下的非零安全容量概率和安全中断概率的精确表达式以及在高信噪比下的渐近安全中断概率解析表达式。AF中继系统的非零安全容量概率和安全中断概率的数值计算和仿真结果相吻合,验证了以上理论分析的正确性;分析结果表明,其安全分集增益为源节点发射天线数、最优中继节点接收天线数、中继节点数的三者乘积与最优中继节点发射天线数、最优用户接收天线数、用户数三者乘积之间的最小值,且与窃听信道无关。     

信道估计误差下的深度人工噪声预编码生成方法

基于人工噪声的物理层安全通信系统，传统人工噪声通常采用推导得到的闭式表达式或最优化方法数值求解生成，要求输入准确的传输信道矩阵信息，才能保证通信系统的保密性。但实际环境中存在的信道估计误差会导致人工噪声预编码误差，从而降低通信系统保密容量。为此提出一种基于深度学习的人工噪声预编码生成方法，通过将有误差的信道估计信息作为输入，与无估计误差情况下传统数值求解得到的预编码矩阵进行拟合，训练得到可适应信道估计误差的深度神经网络。仿真表明，该方法在信道估计有误差时的保密性能与鲁棒性优于传统人工噪声生成系统；相比于其他深度学习方法在物理层安全的应用，所提方法具有更快的收敛速度。     

双向中继信道中物理层网络编码的性能分析

针对双向中继信道,文章研究采用放大转发协议的物理层网络编码的性能.在考虑直传链路下,给出了3时隙网络编码的可达速率.在高信噪比条件下,推导了 3时隙物理层网络编码方案和2时隙物理层网络编码方案的中断概率近似表达式.通过仿真,验证了理论分析结果.同时,对3时隙物理层网络编码方案中继节点的功率分配因子进行了优化,在中继节点处于不同位置下分节点等功率和不同功率对不同方案进行了最大和速率的仿真,结果表明3时隙物理层网络编码可以利用网络的非对称性提高性能.     

一种基于多波束与人工噪声的物理层安全通信方法

为了提高无线传输过程中通信信息被窃听的难度,提出了一种采用多波束发射人工噪声干扰来实现物理层安全传输的方法.发送端同时发送通信信息和两组人工噪声,通过天线加权系数调整使通信信息的方向图主瓣对准期望方位,而人工噪声的方向图在期望方位形成零陷.仿真结果表明,该方法可实现在空间某一期望方位的可靠通信,而偏离该方位的接收机误码...     

人工噪声辅助的多用户安全传输方法

针对传统人工噪声辅助的安全传输方法无法适用于发射天线数等于接收天线数的多用户(Multiuser, MU)多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)系统的问题,提出了一种人工噪声辅助的多用户安全传输新方法。通过合理设计人工噪声与预编码矩阵,该方法可在同时满足所有用户传输需求的基础上,显著提升发射天线数等于接收天线数的MU-MIMO系统的安全性。同时,针对提出的方法进行了检测算法与平均保密速率的推导与分析。理论分析与仿真结果表明,所提方法可有效提升无线通信系统的安全性,在信噪比为20 dB时,该方法较传统方法的平均保密速率提升达到120%。     

基于预编码的双路径中继系统信号传输方案研究

针对转发放大(Amplify-and-Forward, AF)模式下的双路径中继网络,为了降低训练序列设计相互约束关系的复杂度,并提升系统误码性能,本文提出了一种基于预编码的信号传输方案。新方案采用一对相互正交的预编码矩阵,分别在两个中继处对信号进行预编码,在目的点右乘相应的解码矩阵将两路叠加信号分离。新方案能够将两路信号完全分离从而使原本需要考虑三处训练序列设计的问题转化为两处,简化了训练序列设计复杂度。由于预编码方案能够在目的点压缩噪声功率,并且避免两路中继信号的互相干扰,单路径误码性能和双路径分集合并误码性能都得到提升。仿真结果验证了新方案的有效性。      

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。      

概率译码转发中继系统中的安全极化编码方法

该文针对中继节点依概率辅助译码转发的通信场景,提出一种中继辅助的安全极化编码方法,保证私密信息可靠传输的同时,达到提高安全传输速率的目的。首先,发送端分别进行两层极化编码——中继概率转发行为构成的虚拟二进制删除信道下的极化编码和实际传输信道下的极化编码,并将私密信息分别隐藏在两层码字中,分时隙广播出去。然后,中继依概率译码后提取出合法用户无法直接接收的固定信息再次进行安全极化编码并转发。最后,接收端利用收到的中继转发码字和发端码字依次分层进行译码。理论和仿真分析证明,所提方法下合法用户能够可靠接收私密信息,而窃听者无法获取任何私密信息信息量;安全传输速率随着码长和中继转发概率的增加而增大,且高于一般的安全极化编码方法。     

混合衰落信道下存在反馈时延的多天线中继性能分析

研究了混合Rayleigh-Rician衰落信道下,存在反馈时延的多天线双跳放大转发(AF)中继系统的性能.首先,基于反馈时延波束成形(BF)模型得到混合衰落信道下中继系统的输出等效信噪比(SNR).然后,利用无穷级数展开推导出输出信噪比中断概率(OP)和概率密度函数(PDF)的解析表达式,并进一步得到中继系统遍历容量和平均误符号率(ASER)的理论计算公式.最后,计算机仿真验证了所提出的性能分析方法的正确性,并定量分析了天线数量、反馈时延和信道参数对系统性能的影响.     

Nakagami信道下MIMO解码转发中继系统的安全性能分析

在协同自适应解码转发中继系统中,该文针对Nakagami-m衰落信道,研究了基于多天线低复杂度的机会式传输策略的物理层安全性能。为充分利用天线分集增益提升系统安全性能,发送节点均采用发送天线选择策略,接收节点均采用最大比合并策略。推导了系统安全中断概率的闭合表达式,并进一步提供了渐近性能分析,得到了系统的安全分集阶数。仿真结果验证了理论分析的正确性,并揭示了各系统参数对机会式传输方案的安全性能的影响。结果表明,通过增加合法节点的天线数和增大合法信道的Nakagami衰落信道参数可显著提升系统安全性能。     

利用人工噪声提高合法接收者性能的物理层安全方案

该文研究在采用波束赋形和人工噪声的物理层安全方案中利用人工噪声提高合法接收端性能。发送端根据发送符号和信道系数,判断人工噪声是否对合法接收端的信号检测有益,并针对有益噪声和无益噪声分别设计不同的噪声波束赋形矢量。通过利用有益噪声,在不改变窃听端接收信噪比的条件下,合法接收端的信噪比有较明显的提高。对误比特率和保密容量进行理论分析和仿真,结果显示,与传统的人工噪声方案相比,所提方案可提高合法接收端的性能,改善保密容量。     

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。     

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。     

A Distributed Implementation Algorithm for Physical Layer Security Based on Untrusted Relay Cooperation and Artificial Noise

In this letter, we consider a cooperation system with multiple untrusted relays (URs). To keep the transmitted information confidential, we obtain joint channel characteristics (JCCs) through combining the channels from the source to the destination. Then, in the null space of the JCCs, jammers construct artificial noise to confuse URs when the source node broadcasts its data. Through a distributed implementation algorithm, the weight of each node can be obtained from its own channel state information. Simulation results show that high‐level security of the system can be achieved when internal and external eavesdroppers coexist.     

基于安全保护域的增强型多点协作传输机制

现有针对异构蜂窝网多点协作安全传输的研究集中于增强主信道质量以提升安全性,然而多基站协作又使基站和窃听者之间的平均距离变近,网络的安全性受限于距离协作基站较近的窃听者。针对该问题,该文提出一种基于安全保护域的增强型多点协作传输机制。然后,理论分析了用户的连接中断概率、安全中断概率以及安全吞吐量。进一步,以最大化安全吞吐量为目标,优化协作微基站的发射功率以及有用信息功率分配比例系数。仿真结果表明,相比于传统的多点协作安全传输机制,在存在严重安全威胁(窃听者密度较大)的场景下,所提机制可以实现非零系统安全吞吐量;在存在较小安全威胁(窃听者密度较小)的场景下,系统安全吞吐量最大可提升76.1%。     

多层建筑室内无线网络的协作安全研究

多层建筑室内无线网络安全问题的特殊性,主要由其具有随机性、动态性和复杂性的空间拓扑结构所引起的。针对多层室内无线网络节点分布随机、空间结构复杂、损耗类型多样等特点,该文结合物理层安全与随机几何理论,对多层室内无线网络中的多节点协作安全传输展开研究。首先,基于多层泊松点过程对K层室内无线网络进行建模;在此基础上,将协作传输引入多层室内无线网络,并提出该网络的安全概率分析框架;随后,结合理论推导及仿真,分析了楼层总数、安全速率门限、用户所处楼层和各层发射功率配置等因素对多层室内无线网络安全性能的影响。最后,通过仿真验证了协作传输能够有效提高室内无线网络的安全性能。     

非理想信道下基于人工噪声的密集异构蜂窝网安全传输方案

针对密集异构蜂窝网在非理想信道状态信息条件下的安全传输问题,该文分析了人工噪声对通信的可靠性和安全性的影响,在此基础上提出功率分配优化模型,在不同信道估计精度条件下给出了最优的功率分配因子。首先,考虑信道估计误差对合法信号传输以及人工噪声泄露的影响,推导了典型通信链路的连通中断概率和安全中断概率。然后,在安全性和可靠性约束条件下建立功率分配优化模型以最大化系统安全吞吐量,并通过K维联合搜索算法得到每层网络的最优功率分配因子。最后,仿真结果表明系统设置最优功率分配因子时,人工噪声方案可提升约15%的安全吞吐量。     

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。