基于人工噪声的多用途MIMO系统安全算法

针对传统多用户MIMO系统存在大量噪声导致信道接收不准确,安全性能下降的问题。通过构建MIMO系统安全传输模型,选择一种联合信道状态矩阵的MIMO系统算法来满足信号传输的安全需求。通过预编码抑制人工噪声的影响,建立联合信道状态矩阵进行奇异值分解,由最小奇异值执行预编码计算。通过仿真结果分析表明:对于不存在零空间的MIMO系统,采用人工噪声进行信号加密,尽管占用了系统部分容量,但有效提高了系统的保密容量,当合法信道质量降低时,通过提高分配人工噪声系数来提高保密容量。     

无线信道中的密钥进化与加密

无线网络可以利用物理层的信道噪声来增强系统的安全性能。通常物理层安全协议针对特定无线信道的噪声特性进行设计,并假设窃听者的信道特性已知,但在实际中该假设是不可行的。针对无线信道的安全通信问题,提出了密钥进化协议,设计了基于动态秘密的加密机制,使合法用户的密钥随传输数据流不断进化,而不用假设敌手的信道特征已知。如果合法用户之间存在认证信道,即使敌手的信道相比合法用户的信道具有优势,合法用户之间也能建立安全的会话密钥。最后,提出了k容忍加密机制(k-resistance encryption scheme,k-RES),该机制能够容忍加密密钥和解密密钥之间最多k比特的差异。     

基于联合信道特征的中继物理层安全传输机制

针对中继节点不可信的问题,提出了一种基于联合信道特征的中继物理层安全传输机制.首先将中继前后的两个信道等效合并为一个,得到联合信道特征.然后在联合信道特征的零空间中,增加人工噪声,使参与转发的中继节点无法获得有效信息量.仿真结果表明:当增加的人工噪声处于合法接收者信道特征的零空间时,可以提高协作中继系统的保密容量,合法接收者的误码率要远低于不可信中继;保密容量随中继数量增加的变化趋势与窃听者的分布相关.     

基于分段导频发送和人工噪声的物理层安全传输方案

在一个三节点MIMO窃听网络中,针对窃听方发送恶意导频干扰,提出了一种基于分段导频发送和人工噪声的物理层安全传输方案。首先将导频发送长度分为n段,合法接收方只选取其中的m段发送导频信号。发送方利用n-m段接收信号获取窃听信道的近似估计,并用其消除m段信道估计中的窃听信道部分。然后,发送方设计预编码矩阵并同时发送信号和人工噪声,实现信号的安全传输。仿真表明,当干扰功率为100 mW时,所提方案下的安全速率平均提高了1.34 bit/s/Hz。     

多窃听者场景下TASP/MRC系统的物理层安全性能分析

为评估信道预测发射天线选择(TASP)/接收最大比合并(MRC)联合收发分集无线通信系统在瑞利块衰落信道条件和多窃听者场景下的物理层安全性能,针对基于最小均方误差信道预测器的TASP/MRC无线通信系统,推导其非零安全容量概率、安全中断概率以及渐近安全中断概率的精确解析表达式。在此基础上,分析窃听者数目、归一化延时、收发天线数等参数对系统物理层安全性能的影响。数值计算与仿真结果表明,在TASP/MRC系统中,减小归一化延时及窃听者数量或增加合法接收端天线数能够提高物理层安全性能,在高信噪比情况下,物理层安全分集增益等于合法接收端天线数,而与窃听者数目及其收发天线数无关。     

基于无线信道特征的密钥生成与提取研究

基于无线物理层信道特征参数构建密钥是依据无线信道衰落和噪声的客观存在,利用通信双方共享信道的时变性、互易性及唯一性,在评估彼此高度相关的信道参数的基础上协商提取密钥的一种物理层安全"一次一密"解决方案,具有无条件安全的属性。由于这方面的研究在现实应用中既可避免现行"四次握手"导致的安全漏洞,又摆脱了预分发密钥机制的限制,从而成为了无线网络安全领域的热点之一。对此领域的理论基础进行了分析,对物理层信道特征密钥生成和密钥提取这两个关键技术问题的研究现状进行了梳理,并按照评价指标探讨了现有方案存在的一些问题。最后,讨论了下一步研究的重点。     

无线通信物理层安全方法综述

随着无线终端数目的急剧增加以及无线网络的开放性,无线通信的安全问题面临着严重的挑战。与传统加密方法不同,无线通信物理层安全方法从信息论的角度出发,旨在实现无条件安全。本文回顾了Shannon建立的无线通信物理层安全模型,并着重回顾了由Wyner引导的无密钥安全和由Maurer引导的基于无线信道密钥的两大物理层安全分支的发展。其中前者通过波束形成或人工噪声的方法增加合法信道和窃听信道之间的差距;后者则利用无线信道的特性,将其作为产生密钥的天然随机源。在第五代移动通信方式下,物理层安全可以实现轻量级的加解密技术,解决传统加解密延时过长的问题。然而虽然物理层安全的理论研究已日趋成熟,该领域在实际应用中仍有很多问题亟待解决。     

混合窃听环境下多波束符号级安全传输方法

针对毫米波在混合窃听无线通信系统面临的安全问题,基于阵列收发结构,提出了一种有效的无线物理层安全传输方法.在发射端采用多波束符号级方向调制、人工噪声(artificial noise,AN)辅助、天线子集方法,以及合法用户(legitimate user,LU)采用阵列接收确保混合窃听环境下的安全可靠传输.考虑窃听者(...     

鲁棒的双向多中继物理层安全传输方案

针对双向多中继系统物理层安全传输无法获取窃听者的精确信道状态信息（CSI）的问题,提出鲁棒的多中继协作波束形成和人工噪声联合物理层安全传输方案,以最大化系统总功率约束下信道状态"最差情况"时的安全总速率。在该方案中,待求解的问题是一个复杂的非凸优化问题。采用交替迭代和连续凸近似（SCA）方法,对波束形成向量、人工噪声协方差矩阵和源节点发射功率进行交替优化迭代,得到了问题的优化解。仿真实验验证了所提方案的有效性,并表明该方案具有更优的安全性能。     

部分信道特征下的物理层安全编码方法

针对部分信道特征(授权信道特征存在估计误差且窃听信道特征未知)下的物理层安全传输问题,结合人工噪声和安全编码,提出了一种实用的物理层安全编码方法。多天线发射机采用波束成型传输信号时添加与授权信道特征正交的人工噪声,利用交织LDPC码缩小安全距离,在授权信道SNR约束下求最小私密中断概率,实现功率优化分配,尽可能使窃听信道保持低SNR高BER,授权信道保持高SNR低BER,从而实现物理层安全传输。仿真结果表明,在授权信道SNR约束下,本方法可以实现较低的私密中断概率。     

多天线Rayleigh衰落相关信道的平均信道容量

研究了空间衰落相关的Rayleigh信道的平均信道容量,其发射端和接收端均采用多天线系统.在实际情况中,接收端有理想的信道状态信息,而发射端没有任何信道信息,因此在各发射天线上采用等功率分配进行发射.本文推导了具有2根发射天线和多根接收天线（TIMO）衰落相关信道的平均信道容量,将其和Monte-Carlo仿真结果比较,并进一步研究空间相关性对信道容量的影响.数值结果表明：信道的空间相关性降低了平均信道容量,而且不同于多入单出（MISO）信道,当信噪比一直增大,由相关性带来的容量损失也增大且不收敛.     

相关衰落信道下的安全协作系统及中断性能

基于相关的瑞利衰落信道,研究安全协作系统的安全中断性能。假定发送端知道全部信道的信道状态信息,系统中存在单个窃听节点以及多个进行协作的中继节点,某个中继节点被选择作为干扰者来发送干扰信号,合法信道与干扰节点到目的节点的信道相关,窃听信道与干扰节点到窃听节点的信道也相关。在此类协作场景中,分析了信道相关性对安全协作系统安全性能的影响,获得了安全中断概率表达式。数值结果表明信道相关对安全协作系统的安全性能存在显著影响。     

全双工无线供能物联网的物理层安全性能分析

面对干扰和窃听,传统的安全信息传输大都基于密钥加密的方法,在面向动态变化无线网络环境时会产生对称性密码系统的密钥分配、非对称性密码系统的高计算复杂度等问题。而快速增长的无线业务流量和物联网类型的海量设备接入,会引起计算复杂度的进一步提升和能量开销的激增。针对此问题,提出一种基于物理层安全技术的全双工无线供能物联网的安全通信方法,利用噪声和无线信道随机性来限制窃听者接收信息量。该方法首先基于信息论对全双工无线供能物联网安全容量进行分析,然后根据安全容量的分析模型推导得到了安全中断概率（SOP）的闭合表达式。最后,考虑到噪声、干扰机干扰、空间互干扰,以及残余自干扰等因素对安全容量的影响,提出一种全双工无线供能物联网安全波束成形方法,该方法通过降低联合干扰来增加发送和接收端的互信息量,提高全双工无线功能物联网的安全容量。通过蒙特卡罗仿真验证了推导结果的准确性,仿真结果表明,在安全容量和SOP指标上,全双工无线供能物联网比传统半双工无线功能物联网有较大性能增益。     

Joint cooperative beamforming and artificial noise design for secure AF relay networks with energy-harvesting eavesdroppers

In this paper, we investigate physical layer security for simultaneous wireless information and power transfer in amplify-and-forward relay networks. We propose a joint robust cooperative beamforming and artificial noise scheme for secure communication and efficient wireless energy transfer. Specifically, by treating the energy receiver as a potential eavesdropper and assuming that only imperfect channel state information can be obtained, we formulate an optimization problem to maximize the worst-case secrecy rate between the source and the legitimate information receiver under both the power constraint at the relays and the wireless power harvest constraint at the energy receiver. Since such a problem is non-convex and hard to tackle, we propose a two-level optimization approach which involves a one-dimensional search and semidefinite relaxation. Simulation results show that the proposed robust scheme achieves better worst-case secrecy rate performance than other schemes.     

无线携能通信系统中基于人工噪声的波束成形算法研究

在存在多天线窃听者的情况下,研究了无线携能通信系统的物理层安全传输问题。传统上,人工噪声方案是一种保证物理层安全通信的有效策略。因此,提出了一种人工噪声辅助的波束成形算法,以提高信息与能量联合传输的安全性。该算法在满足多项约束（接收端能量采集门限、信息泄漏控制指标和发送功率）的基础上,通过优化波束成形预编码矩阵和人工噪声实现无线携能通信系统的物理层安全通信。在数学上该算法是一个非凸优化问题,不易求解。为此,首先引入最小均方误差接收算法和连续凸近似方法将其转换为凸的二阶锥规划子问题,然后对该凸问题进行迭代求解。仿真结果表明,该算法能够在保证窃听者无法解码信息的同时,实现信息和能量的联合传输,并且算法收敛速度快。     

基于信道估计的物理层安全多天线选择功率分配方案

针对多天线选择方案提高物理层安全的研究中信道已知条件的设定过于理想这一问题,提出利用导频信号估计主信道并进行多天线选择的方案。首先,接收端发送导频信号供发射端进行主信道估计;然后发射端利用估计的信道状态信息选出多根天线并进行功率分配;最后推导所提方案的保密容量并设计仿真实例。结果表明,所提方案在估计误差条件下达成了低信噪比时的非零保密容量,且接收方误码率随信噪比增大急剧减小至10-4,而窃听方的误码率保持较高,验证了所提方案的有效性和可行性。     

Secrecy results for compound wiretap channels

We derive a lower bound on the secrecy capacity of a compound wiretap channel with channel state information at the transmitter which matches the general upper bound on the secrecy capacity of general compound wiretap channels given by Liang et al. [1], thus establishing a full coding theorem in this case. We achieve this with a stronger secrecy criterion and the maximum error probability criterion, and with a decoder that is robust against the effect of randomization in the encoding. This relieves us from the need of decoding the randomization parameter, which is in general impossible within this model. Moreover, we prove a lower bound on the secrecy capacity of a compound wiretap channel without channel state information and derive a multiletter expression for the capacity in this communication scenario.