基于人工干扰的物理层安全传输方案与容量优化

发布时间：2017-12-05 13:20

  本文关键词：基于人工干扰的物理层安全传输方案与容量优化

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【摘要】：计算机技术的快速发展突出了传统加密算法的弊端，为了进一步保障无线通信的安全性，物理层安全作为一个新的研究方向应运而生。人工干扰技术是增强无线通信系统物理层安全性能的方法之一。该技术通过发送人工噪声或特定波形来干扰窃听端处的消息信号，进而在物理层上实现安全通信。尽管物理层安全已取得了一些进展，但是针对实际中广泛应用的高斯Z信道和高斯窃听信道，基于人工干扰的物理层安全传输方案与安全容量优化方面的成果还很少，本文重点对此开展研究，主要工作如下： 针对单天线高斯Z信道，本文研究了安全传输方案和相应的安全自由度。首先，从理论上得到该信道安全容量和安全自由度的上界。其次，给出基于人工干扰的安全传输方案，，证明该信道的安全容量和安全自由度的上界是可实现的，从而得到该信道的安全自由度。最后，对比分析无人工干扰的传输方案和相应的安全自由度，结果表明，本文的安全传输方案可提升系统的安全容量和安全自由度。 针对MIMO高斯窃听信道的安全通信，本文给出了两种基于人工干扰的安全传输方案。在方案一中，由于发送端和辅助端之间没有合作，辅助端通过广义奇异值分解来实现人工干扰，并选择有利于削弱窃听端窃听能力的子信道来传输人工噪声以提高系统的安全容量。进一步，为了消除人工噪声对接收端处消息信号的影响，方案二利用发送端和辅助端之间的合作，在任意天线配置的情况下给出了辅助端通过空间匹配构造人工噪声的预编码矩阵算法，并采用基于信道质量的次优加权策略以减小算法的计算复杂度。最后，从理论上分析了两种方案的性能和复杂度，并对性能进行仿真分析。结果表明，与无人工干扰的传输方案相比，两种基于人工干扰的传输方案能够有效地提升系统的安全容量；对于第二种方案次优加权策略的安全性能优于平均加权策略且接近最优加权策略。 针对能量受限的高斯窃听信道中物理层安全传输问题，本文研究了基于ST(Save-Then-Transmit)协议的能量收集型高斯窃听信道的安全传输方案与容量优化。首先，对无人工干扰方案下的安全容量进行优化。其次，给出基于人工干扰的安全传输方案，并分析了该方案提升安全容量的充要条件，且提出了该方案下安全容量的迭代优化算法。最后，给出了一种复杂度低的单辅助端的选择方案。仿真结果表明，在无人工干扰的传输方案中，优化算法明显优于半能量吸收比算法；在基于人工干扰的传输方案中，迭代优化算法可进一步提高安全容量且收敛速度较快；进一步，当无人工干扰的传输方案失效时，基于人工干扰的传输方案仍然可在一定条件下保障安全通信。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN972

【参考文献】

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1 谢显中;徐冰;雷维嘉;马彬;;三小区环境中基于三角分解的低复杂度干扰对齐算法[J];电子与信息学报;2013年05期

本文编号：1254953