基于半定规划方法的多个窃听用户认知网络物理层安全优化设计

针对具有多个多天线窃听者的认知无线电网络(CRN),为了使系统保密速率达到最大,该文把对主用户的干扰设计成为一个约束条件,通过对次用户发送端传输协方差矩阵的优化设计来提高物理层安全性能。在已知信道状态信息(CSI)时利用矩阵性质和Charnes-Cooper变换,将该非凸函数转化为一个半定规划(SDP),从而得到次用户发送端的优化方案。仿真结果表明,相对于现有二次优化传输策略,该方案能够使系统的保密速率更大,并在复杂度方面具有优势。     

防内外部窃听的多播物理层安全算法

针对无线多播系统同时存在内、外部窃听者的复杂情况,提出随机化干扰的物理层多播安全传输算法。该算法基于收发天线构成信道的代数空间进行设计:一方面在内部窃听者的信道代数空间方向上不发送信息,另一方面在合法用户信道的正交方向上引入随机干扰信号。这样直接使得内部窃听者接收的信号受到能量削减的同时,非合法用户受到随机化干扰,最终实现了物理层多播信息的安全传输。理论分析和仿真结果表明,算法可同时保证系统内、外部窃听者极高的误码率,从而无法获取信息。     

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...     

异构密集网中一种抗多窃听者的协作安全波束成形方案

为保证异构密集网中多个窃听者联合窃听时宏基站用户的下行通信安全,该文提出一种抗多窃听者的协作安全波束成形方案。该方案通过联合设计宏基站和微基站的最优协作波束成形矢量,使保密信息传输速率提升的同时,其他用户的下行信号进一步干扰窃听者,从而最大化系统安全速率。为获得最优的协作波束成形矢量,在考虑其他合法用户的服务质量及基站功率限制时,对该安全速率最大化问题进行建模。采用半定松弛技术及Lagrange 对偶理论将原始的非凸优化问题转化为一系列的半定规划问题进行求解。仿真结果验证了所提方案的有效性和安全性。     

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...     

MIMO多中继系统中基于不完全信道状态信息的预编码算法研究

针对配置多个中继节点的多输入多输出（Multiple-input Multiple-Output,MIMO）系统,提出一种不完全信道状态信息（Imperfect channel state information,CSI）下基于最小均方误差（Minimum Mean-Squared Error,MMSE）准则的预编码设计方案,该方案综合考虑各个节点天线之间的相关性及信道估计误差。由于各个中继端预编码矩阵之间可视为相互独立,故将约束优化问题转化为若干半正定规划问题,继而通过内点法或CVX工具箱求解预编码矩阵,然后采用求导法推导出接收端处理矩阵。最后利用迭代算法交替迭代来联合优化预编码矩阵和接收端处理矩阵,直到算法收敛。仿真结果表明,与未能综合考虑各个节点的预编码算法相比,本文提出的算法能明显改善系统BER性能。      

基于非理想信道状态信息的鲁棒安全发送方法

针对协方差信道状态信息(Channel State Information, CSI)不理想导致的通信系统安全性能恶化问题,该文提出一种鲁棒的人工噪声辅助的物理层安全发送方法。该方法基于非理想的协方差信道信息,对发送者的波束成形向量及人工噪声协方差进行联合优化设计,从而最大化系统的最差情况安全速率(Worst-Case Secrecy Rate, WCSR)。该功率受限的安全速率最大化问题是非凸的,采用半定松弛(SemiDefinite Relaxation, SDR)技术和Lagrange对偶理论将其转化为一系列的半定规划(SemiDefinite Program, SDP)问题进行求解。仿真结果表明,与现有方案相比,所提方法的安全性能有了明显的提升。     

过时CSI下全双工中继辅助D2D网络的物理层安全

中继辅助终端直通（devicetodevice,D2D）网络通过与蜂窝网络共享频谱提高D2D用户的频谱效率和蜂窝用户（cellular user,CU）的物理层安全性。为进一步改善其性能,可以在基站和D2D链路的中继节点采用天线选择以及在中继节点采用全双工技术。然而,由于存在反馈时延和移动性,用于蜂窝链路和所有D2D链路天线选择的信道状态信息（channelstateinformation,CSI）均可能是过时的,针对该场景下的物理层安全性和可靠性问题,提出一种主动窃听和过时CSI场景下基站和中继节点均采用发射天线选择的全双工中继辅助D2D网络安全模型,推导CU的中断概率、遍历容量、非零安全容量概率、安全中断概率、渐近安全中断概率的解析表达式。数值计算与仿真结果均表明,基站发射天线数、中继干扰天线数越多,CU的安全性能越好;过时的CSI会降低CU的中断性能和安全性能。     

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。     

多天线系统中面向物理层安全的极化编码方法

该文提出一种基于多输入信道最大容量差映射的极化安全编码方法,通过适当降低信道极化速度达到提高安全传输速率的目的。首先,利用信道极化结构,将极化后的逻辑信道按信道质量划分为好信道与差信道两类;然后,通过具体的逻辑信道删除率迭代分析,提出一种能够有效提升差逻辑信道容量并降低好逻辑信道容量的最大容量差信道映射方法,达到降低信道极化速度的目的;最后,利用加权修正合法信道与窃听信道最大容量差映射结果,实现多输入信道下的极化安全编码。仿真结果表明,在极化阶数n=9的二进制删除信道下,所提方法相比随机映射与Arikan方法,安全传输速率分别由0.029, 0.004提升到了0.042,并且所提方法同样适用于衰落信道场景。     

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。     

非理想信道状态下多波束卫星通信的鲁棒安全传输设计

考虑多波束卫星通信中存在多天线窃听用户的场景以及非理想信道状态信息带来的系统安全性能恶化,针对合法信道与窃听信道均不理想的多用户MISOME(Multi Input, Single Output, Multi Eavesdropper)系统,该文基于两种类型的信道误差提出了两种鲁棒安全传输方法。在确定误差模型下,利用发送波束成形以及人工噪声协方差的联合优化设计解决系统最差情况安全速率最大化问题(Worst-Case Secrecy Rate Maximization, WC-SRM)问题,通过推导分析将非凸的WC-SRM问题等价为一个1维搜索问题,而这个等价问题的最优解可通过一系列半定规划(SemiDefinite Program, SDP)问题的求解而得到。在统计误差模型下,为求解中断概率约束安全速率最大化(Outage Probability Constrained Secrecy Rate Maximization, OP-SRM)问题,该文提出一种基于WC-SRM的鲁棒安全设计的可靠近似方案。仿真分析验证了该文所提方法的鲁棒性与有效性。     

认知无线电网络的物理层安全研究及其鲁棒性设计

该文从用户服务质量(QoS)的角度研究了多输入单输出(MISO)认知无线电网络的物理层安全问题。通过在次用户的发送信号中加入适当功率的人为噪声,能够有效地提高网络的物理层安全性能。经过适当的变换,将次用户的安全优化问题转化为一个半定规划,从而可以有效地求得次用户的最优发射方案。另外,针对信道状态信息不确定性的问题,在假设已知信道状态信息误差范围的前提下,采用最差性能最优的方法对系统进行鲁棒性设计,以保证即使在信道状态信息误差最大的情况下,依然可以满足系统的约束条件。最后,通过仿真验证了算法的有效性。     

联合发端天线选择和收端人工噪声的物理层安全传输方法

该文在同频全双工技术快速发展的背景下,针对物理层安全研究中波束成形技术的高复杂度和发端天线选择(TAS)技术的低性能,提出一种联合发端天线选择和收端人工噪声(AN)的物理层安全传输方法TAS-rAN。首先,有多根天线的发端,利用天线选择技术,选取能使合法接收方接收信噪比最大的天线发送保密消息;其次,有同频全双工能力的收端,在接收到消息的同时,发送人工噪声来扰乱窃听方对保密消息的窃听。在Nakagami-m信道下,推导了安全中断概率的闭合表达式,并基于此,得到非零安全容量的概率表达式;通过渐进安全中断概率的推导,得到TAS-rAN方法的安全分集度。仿真结果表明,与已有的TAS-single和TAS-Alamouti方法相比,TAS-rAN安全方法具有较强的稳定性,且能提供更优的安全性能。     

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.     

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.