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.     

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。     

全双工主动窃听非正交多址接入系统智能超表面辅助物理层安全传输技术

针对全双工被动窃听和主动干扰攻击下的多用户非正交多址接入(NOMA)系统,该文提出一种智能超表面(RIS)辅助的鲁棒波束赋形方案以实现物理层安全通信。考虑在仅已知窃听者统计信道状态信息的条件下,以系统传输中断概率和保密中断概率作为约束,通过联合优化基站发射波束赋形、RIS相移矩阵、传输速率和冗余速率,来最大化系统的保密速率。为解决上述多变量耦合非凸优化问题,提出一种有效的交替优化算法得到联合优化问题的次优解。仿真结果表明,所提方案可实现较高的保密速率,且通过增加RIS反射单元数,系统保密性能更佳。     

物理层安全约束下的AF双向中继系统波束赋形和人工干扰联合设计

波束赋形和人工干扰是现有研究中最为常见的两种物理层安全增强技术,本文针对AF （放大转发）双向中继模型,探讨了两者的联合设计问题。在已知理想信道状态信息的条件下,本文提出了一种波束赋形和人工干扰的混合协同传输方案,推导了总功率受限条件下的和安全速率,通过两步迭代搜索算法得到了其最佳联合方案,并与一种低复杂度的次佳联合方案进行比较。仿真结果验证了所得联合方案优于次佳联合方案,并进一步改善了AF双向中继系统的安全性能。     

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。     

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。     

5G通信中的增强物理层安全信号处理技术探讨

本文主要针对5G通信中,关于增强物理层信号安全性的技术.这技术可以在数据发射和信道预判这两个阶段实现.在数据发射时,可以通过波束赋形环节来让整个信号质量得到提升,进而有效限制窃听者所能得到的信号强度.除此以外,对于人工噪声进行波束赋形也可以进一步限制窃听者所能够截取的信息.而在信道预判阶段,通过训练过程可以让窃听者的信道性能进一步恶化,这样可以从整体上提高数据信号发射的效果.     

Underlay协同频谱共享系统中基于SDF-DZFB的物理层安全传输

协同中继传输不仅能改善认知用户的传输可靠性,而且也能增强认知用户物理层安全性。针对Underlay模式下多中继协同频谱共享认知无线网络,本文设计了基于选择译码转发和分布式迫零波束成形（SDF-DZFB）的物理层安全传输方案,其中,假设存在单个被动窃听节点窃听中继节点的发送信号,在认知用户发送端同时考虑峰值干扰温度约束和最大发射功率约束,中继和认知用户目的端都受到主用户干扰。在此情况下,分析了认知用户发送端分别到目的端（称为主链路）和到窃听节点（称为窃听链路）的等效信干噪比的统计特性,进而推导出系统安全中断概率性能的闭式表达式。为了揭示所提物理层安全传输方案的安全分集度性能,本文进一步分析了高信噪比条件下安全中断概率的渐近表达式。计算机仿真验证了本文的理论分析结果。      

时间反演系统中抗多窃听者的物理层安全吞吐量优化方案

针对时间反演系统中多个窃听者随机分布的物理层安全传输问题,提出一种安全吞吐量优化方案,该方案基于人工噪声辅助时间反演的多输入单输出(MISO)传输.首先,利用随机几何理论推导连接中断概率和安全中断概率的闭合表达式分别表征系统的可靠性和安全性;然后,综合考虑系统的可靠性和安全性,提出最大化安全吞吐量的优化方案;最后,仿真...     

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。     

无线协作网络中的最优中继选择方案及中断概率分析

从物理层安全的角度出发,在含有协作中继的通信网络中,通过选择最优中继来传递信息可有效提升系统性能。讨论了在含有多个单天线窃听用户的多中继通信系统中对最优中继的选择方案,并对系统采用放大转发（amplify-and-forward,AF）协议和解码转发（decode-and-forward,DF）协议这两种不同的情况分别进行了讨论和比较,同时还对比了不含中继的直接传输情况。理论分析和仿真结果表明,最优中继选择方案可有效保障系统的安全性能。     

多跳协同中继网络下物理层安全传输方案

针对多跳中继传输系统的信息安全传输问题,提出了一种基于全双工模式下多节点协作干扰(FD-MCJ)的物理层安全传输方案。该方案利用通信网络中的中继节点发送干扰信号恶化窃听节点的接收性能,同时中继节点根据信道状态信息(Channel State Information, CSI)自适应的选择两种情况下的安全传输方案。本文首先利用泊松点过程对窃听节点位置进行安全建模;然后,根据CSI可用程度,给出不同的安全传输具体方案,在考虑系统的跳数、天线间自干扰以及发射功率和干扰功率等因素下,推导FD-MCJ方案下系统保密中断概率的闭式解;最后,数值分析和蒙特卡洛仿真表明,理论推导的正确性以及多跳中继系统中采用全双工多节点协作干扰方案能够有效提升系统安全性能。      

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。     

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。     

Security versus reliability analysis for multi-eavesdropper cooperation wireless networks with best relay

Physical-layer security could be used to effectively combat eavesdroppers and the transmission reliability of the main link could be improved.A wireless relay network with multiple both decode and forward eavesdroppers and relays were considered,in the presence of the link from source to destination.A best relay selection scheme based on multieavesdropper’s cooperation was proposed,and the outage probability and the intercept probability was deduced under both schemes without relay and with best relay.Then,the security and reliability influenced by different relay selection schemes were analyzed.The simulation results show that the achievable channel capacity at the destination node and the system outage probability are directly affected by different relay selection scheme.Lower system outage probability can be achieved by the proposed scheme,and the system outage probability and intercept probability are both decreased with the increase of the number of relays.The intercept probability increases with the increase of the number of eavesdroppers,which,however,can be reduced by increasing the number of relays to ensure the main link’s reliable transmission.     

面向卫星-地面协同通信系统的物理层安全传输设计

为增强多窃听者场景下的卫星-地面协同通信系统数据传输安全性,首先建立以卫星链路物理层安全传输速率最大化为优化准则、地面链路传输质量和信号发送功率为约束条件的卫星-地面协同传输优化问题.由于该优化问题的非凸性,随后通过引入辅助变量,将原问题分解为主、次两个子问题进行迭代求解,其中主问题为一维搜索问题,次问题则需进一步借助半正定松弛和矩阵变换方法转换为等价凸优化问题.最终,提出一种基于物理层安全的卫星-地面协同传输设计方案.计算机仿真结果表明,信号发射功率和卫星天线数的增加可提升系统安全速率,而窃听者数量的增加则会使得系统安全性降低.     

基于NOMA的协作中继网络安全性能分析

由于非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)能够显著提升系统的频谱资源利用率,在下一代移动通信中得到广泛应用。对NOMA环境下多中继协作网络的最优中继选择方案和系统安全性能进行了分析和讨论,其中包含窃听者仅窃听中继和窃听者同时窃听中继及源节点这2种情况下的系统安全性能表现,并与相同场景下正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)网络进行了对比。最终的理论分析和仿真结果表明,在所提出系统模型中,当信道条件相同时,NOMA网络总能取得相较于OMA网络更好的安全性能,同时随着系统中继节点数目的增多,NOMA网络在物理层安全性能上获得更大的优势。     

窃听CSI未知场景下基于可重构智能表面的物理层安全传输方案

近些年来,人们一直在开发可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS),它是一种由许多无源反射器组成的低成本结构,可以自由地改变每个元素的反射系数,并重新配置无线传输环境以改变入射信号的传播。由于具有若干新型和独特的优势,RIS应用场景广泛,关于其在物理层安全中应用的研究蓬勃发展。与此同时,物理层安全研究中窃听者的信道状态信息(Channel State Information,CSI)一直是人们讨论的热点,实际通信场景中窃听CSI通常是不易获取或未知的。因此本文考虑了一个更接近现实的情况,即针对窃听CSI未知的场景,考虑存在一个合法接收者以及多个非法窃听者,从功率分配的角度出发,结合波束成形,设计一种多RIS辅助的人工噪声与功率分配方案,通过对基站波束成形矩阵和RIS反射系数的交替优化,并应用二分法,使得在合法接收用户信号质量不变的前提下,降低基站处发送保密信息至合法用户所需的功率,降低其接收信号的信干噪比,进而提高系统的保密容量。同时考虑到了多个RIS协作辅助保密通信不一定最优,并可能增加系统优化的复杂度,设计了多个RIS的选择方案,...     

Cooperative Physical Layer Security Transmission Scheme Based on Energy Harvesting

Energy harvesting (EH) is introduced into the physical layer security transmission of wireless sensor networks. It takes the energy efficiency and security into account simultaneously. To improve the physical layer security of the cooperative wireless sensor network, an EH-based physical layer security transmission scheme called multi-relay time switching (MRTS) is proposed in this paper. In the multi-source single-destination network with eavesdroppers, multiple relay nodes with time switching (TS) protocol convert the received signals into energy and information according to the time slots, and the converted energy is used to amplify and forward the received information. The research shows the optimal time switching ratio, under which the maximum secrecy capacity is achievable with the optimal converted energy. The results prove that under the same conditions, the secure transmission scheme based on MRTS is better than power splitting-based relaying (PSR) scheme when the total power of sources is limited.

     

Artificial noise-aided robust secure information and power transmission scheme in heterogeneous networks with simultaneous wireless information and power transfer

A heterogeneous network with simultaneous wireless information and power transfer under the stochastic channel state information (CSI) error was considered.In this network,to guarantee the security and reliability of information and energy transmission,an artificial noise (AN)-aided robust secure information and power transmission scheme was proposed.By jointly designing the downlink information beamforming and AN matrix of macrocell base station and femtocell base stations,the eavesdroppers were jammed and the energy receiving performance of system was improved simultaneously.The problem of maximizing the energy receiving performance was modeled under the constraints on the base station power,the outage probability of information transfer and confidential information eavesdropped.Due to the probabilistic and rank-one constraints,this problem was non-convex.To obtain the solution,the original problem was first transformed into an equivalent form,which was easy to process.Then,the Bernstein-type inequality and the Large-deviation inequality was utilized to transform the outage probability limits into convex linear matrix inequalities,respectively.Finally,the rank-one beamforming constraints were processed with quadratic equality constraint procedure.Simulation results show that the proposed scheme has higher energy receiving performance and feasible performance in comparison with compared schemes,which validates the effectiveness and the robustness of our proposed scheme.