發(fā)布時(shí)間：2018-11-07 09:49

【摘要】：如何在保證保密數(shù)據(jù)不被竊聽(tīng)者竊取的同時(shí),以更大的傳輸速率傳輸保密數(shù)據(jù),一直是物理層安全(Physical Layer Security,PHY)傳輸中最受關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于給定的多天線輸入多天線輸出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)竊聽(tīng)信道,PHY傳輸?shù)陌踩�容量關(guān)于輸入信號(hào)協(xié)方差矩陣的閉合表達(dá)式已經(jīng)明朗。然而,如何優(yōu)化輸入信號(hào)協(xié)方差矩陣,從而獲得最大可達(dá)安全傳輸速率,卻還面臨著許多的理論難題:1)安全傳輸速率關(guān)于輸入信號(hào)協(xié)方差矩陣的優(yōu)化問(wèn)題是非凸的,很難找到可解析分析的方法,確切的安全容量值仍然是一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題。2)由于人工噪聲的引入,噪聲信號(hào)協(xié)方差矩陣與信息信號(hào)協(xié)方差矩陣相互耦合,這使得安全容量的解析分析變得更加困難。3)在更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景下,即保密通信與公用通信融合的場(chǎng)景、雙向通信場(chǎng)景、Active-竊聽(tīng)場(chǎng)景,如何洞察PHY傳輸技術(shù)的內(nèi)在機(jī)理,突破現(xiàn)有的PHY傳輸方法,解決現(xiàn)有PHY傳輸技術(shù)中存在的頻譜利用率低、計(jì)算復(fù)雜度高及魯棒性差等問(wèn)題,具有極強(qiáng)的研究意義及應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)以上問(wèn)題,本文以支持更高的安全傳輸速率為核心目標(biāo),分析最大可達(dá)安全傳輸速率與通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,提出能夠支持更高安全傳輸速率的物理層安全傳輸方案�？梢灶A(yù)見(jiàn),本文的研究成果可以發(fā)展和完善物理層安全傳輸理論框架、技術(shù)方案和算法,并推動(dòng)物理層安全傳輸關(guān)鍵技術(shù)在未來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。主要工作如下:1)針對(duì)安全速率關(guān)于輸入?yún)f(xié)方差矩陣非凸的問(wèn)題,本文提出了以安全自由度為度量指標(biāo)。安全自由度,代表高信噪比下可達(dá)安全傳輸速率隨功率增長(zhǎng)的斜率,因此具有明顯的物理意義;此外,由于可達(dá)安全自由度與系統(tǒng)工作功率無(wú)關(guān),其解析結(jié)果相較于安全速率的分析而言,要簡(jiǎn)單一些。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,本文研究了可達(dá)安全自由度或者可達(dá)安全自由度域,與系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系。此函數(shù)關(guān)系揭示了可達(dá)安全傳輸速率或者可達(dá)安全傳輸速率域與系統(tǒng)各參數(shù)之間的解析關(guān)系,對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。2)針對(duì)噪聲信號(hào)協(xié)方差矩陣與信息信號(hào)協(xié)方差矩陣相互耦合的問(wèn)題,在最大可達(dá)安全自由度不變的前提下,通過(guò)縮小預(yù)編碼矩陣的定義域,降低優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣的困難。具體的,本文考慮了應(yīng)用額外輔助節(jié)點(diǎn)發(fā)送人工噪聲的四節(jié)點(diǎn)抗竊聽(tīng)場(chǎng)景,所有的節(jié)點(diǎn)均配置了多根天線。首先,本文提出了一種啟發(fā)式的安全傳輸方案:信息信號(hào)和噪聲信號(hào)對(duì)齊在竊聽(tīng)者的同一個(gè)接收信號(hào)子空間里,且分散在合法者不同的接收信號(hào)子空間里。接著,本文證明了滿足安全傳輸方案約束的預(yù)編碼矩陣能夠?qū)崿F(xiàn)最大可達(dá)安全自由度。在此安全傳輸方案的基礎(chǔ)上,本文提出了閉式的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)方案,并給出了系統(tǒng)最大可達(dá)安全自由度與系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系。3)針對(duì)保密通信網(wǎng)絡(luò)與公用通信網(wǎng)絡(luò)共存融合的問(wèn)題,本文研究了基于干擾協(xié)調(diào)的PHY傳輸技術(shù)。具體的,本文考慮保密通信網(wǎng)絡(luò)與公用通信網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景,利用來(lái)自公用網(wǎng)絡(luò)的共信道干擾替代人工噪聲,達(dá)到提高安全傳輸速率的目的。通過(guò)將四節(jié)點(diǎn)抗竊聽(tīng)信道中所提的安全傳輸方案進(jìn)行擴(kuò)展,本文提供了實(shí)現(xiàn)自由度域外邊界上自由度對(duì)的預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)方案;給出了最大可達(dá)安全自由度域與各節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系。此函數(shù)關(guān)系從理論上明確了公用網(wǎng)絡(luò)與保密通信網(wǎng)絡(luò)可達(dá)安全傳輸速率之間的折中關(guān)系。仿真結(jié)果證實(shí)了,隨著兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間距離的拉近,雖然公用網(wǎng)絡(luò)可支持的傳輸速率有所下降,但是下降數(shù)值小于保密通信網(wǎng)絡(luò)可支持的安全傳輸速率的增加值。并且,兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間距離的拉近,能夠?qū)�抗由于信道估�?jì)誤差帶來(lái)的安全傳輸速率的下降。4)針對(duì)經(jīng)典竊聽(tīng)信道中,安全容量受限的問(wèn)題,本文研究了一種新的通信結(jié)構(gòu)——雙向通信,旨在提供安全服務(wù)的同時(shí),提供更高的安全傳輸速率。具體的,本文考慮通信雙方均以全雙工模式工作,即,在接收信號(hào)的同時(shí),發(fā)送信息信號(hào)給對(duì)方。和保密通信網(wǎng)絡(luò)與公用通信網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景相比,此時(shí)竊聽(tīng)者對(duì)通信雙方發(fā)送的信息信號(hào)都感興趣。因此,可達(dá)安全傳輸速率域關(guān)于輸入信號(hào)協(xié)方差矩陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)更加困難。通過(guò)對(duì)四節(jié)點(diǎn)抗竊聽(tīng)信道中所提的安全傳輸方案進(jìn)行擴(kuò)展,本文給出了預(yù)編碼矩陣的設(shè)計(jì)方案;同時(shí)本文給出了可達(dá)和安全自由度關(guān)于各節(jié)點(diǎn)天線數(shù)目之間的函數(shù)關(guān)系。仿真結(jié)果證實(shí)了,所提方案不僅計(jì)算復(fù)雜度低,而且能夠支持更高的安全傳輸速率,對(duì)自干擾及竊聽(tīng)者的位置均具有魯棒特性。5)針對(duì)Active-竊聽(tīng)(竊聽(tīng)者根據(jù)實(shí)際情況決定是否發(fā)送干擾信號(hào)攻擊、阻止當(dāng)前通信過(guò)程)的問(wèn)題,本文研究了對(duì)應(yīng)的PHY傳輸技術(shù)。具體的,本文提出合法接收端僅用一部分天線接收信息信號(hào),另外一部分天線發(fā)送人工噪聲,惡化竊聽(tīng)信道質(zhì)量;并且,以最大化可達(dá)安全自由度為目標(biāo),優(yōu)化了合法接收者的收發(fā)天線數(shù)目。進(jìn)一步的,本文考察了竊聽(tīng)者可以自適應(yīng)地分配其負(fù)責(zé)竊聽(tīng)與攻擊的天線數(shù)目的情況,給出了最壞情況下的可達(dá)安全自由度。結(jié)果表明,只要合法接收者比竊聽(tīng)者擁有更多的天線數(shù),本文總能找到一種預(yù)編碼方案,獲得正的安全自由度。仿真結(jié)果證實(shí)了,所提方案相比半雙工方案能夠支持更高的安全傳輸速率;此外,所提方案關(guān)于自干擾,竊聽(tīng)者的位置,以及信道估計(jì)誤差具有魯棒特性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN918

【參考文獻(xiàn)】

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4 楊云川;面向物理層安全的預(yù)編碼技術(shù)研究[D];北京郵電大學(xué);2013年

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本文編號(hào)：2315978