阵列系统中的波束形成安全技术研究
本文关键词：阵列系统中的波束形成安全技术研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：无线通信技术在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色,随之而来的信息安全问题也不容忽视。近些年来受到极大关注的物理层安全技术与上层安全技术的相结合使用,使得无线通信在很大程度上提高了其安全性和保密性。波束形成作为提高物理层安全性能的一种重要技术,也在不断的发展和完善。波束形成通过对发射信息加权使得发射信息在不同的方向具有不同的增益,从而影响该方向接收者接收到的信号干扰噪声比(SINR)。如果在一个通信系统中同时存在合法用户和窃听用户,那么阵列加权形成的波束方向图希望在合法用户方向形成最大增益而在窃听用户方向形成零陷,从而达到防窃听的目的。论文的主要工作如下：首先,当窃听信道(发射端与窃听用户之间的信道)状态不是很好的时候,发射端只发射有用信号,论文分别针对窃听用户在旁瓣方向和靠近主瓣方向两种情况,利用传统的零点调向和多项式法使得发射波束在窃听方向形成零陷或者形成给定旁瓣水平下的最窄零点-零点波束。其次,当窃听信道(发射端与窃听用户之间的信道)状态比较好甚至优于主信道时,发射端同时发送有用信息和人为噪声(AN)。论文研究了在对有用信息均匀加权的情况下,使用逆傅里叶加权矢量求解法、最小二乘方向图合成技术、非对称波束方向图合成技术和发射端虚拟干扰方向图合成技术对人为噪声的波束方向图进行拟合或逼近。第三,前面的方向图合成技术只是从波束形状方面实现的防窃听,并未考虑到发射功率的分配以及优化。论文之后研究了在发射端联合优化有用信息的加权矢量和人为噪声的加权矢量。假设发射端知道合法用户完善的信道状态信息(CSI),并基于凸优化的数学理论知识,分别对发射端完全不知道窃听用户的信道状态信息、知道窃听用户部分信道状态信息、知道窃听用户完善的信道状态信息三种情况,给出了在最小发射功率准则下,同时满足通信系统中合法用户和窃听用户信干燥比要求的有用信息的加权矢量和随机人为噪声矢量。论文最后提出在发射端同时发送特定形式的有用信息和人为噪声,而不是之前研究的发送随机人为噪声,并用遗传算法给出了仿真结果。研究结果表明,此算法较之前的算法可以节省总的发射功率,并且也满足了通信系统的安全性要求。
【关键词】：波束形成 通信安全 人为噪声 信干燥比 发射功率
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：
- 摘要4-5
- Abstract5-10
- 英文缩略语注释表10-11
- 第一章 绪论11-21
- 1.1 课题的研究背景与意义11-12
- 1.2 相关安全技术的发展及研究现状12-17
- 1.2.1 安全通信的上层技术12-13
- 1.2.2 无线通信的物理层安全13-17
- 1.3 论文的内容安排17-18
- 1.4 数学符号约定18-21
- 第二章 发射端期望信号波束形成技术研究21-41
- 2.1 发射端波束形成技术简介21-23
- 2.2 发射波束的零点调向23-31
- 2.2.1 零点约束24-27
- 2.2.2 仿真结果及其分析27-31
- 2.3 给定旁瓣水平的最小波束宽度设计31-40
- 2.3.1 方向图采样求加权值31-32
- 2.3.2 Dolph-Chebychev阵列32-36
- 2.3.3 Riblet-Chebychev加权36-37
- 2.3.4 仿真结果及分析37-40
- 2.4 本章总结40-41
- 第三章 人为干扰信号波束方向图合成技术研究41-57
- 3.1 离散傅里叶变换波束方向图合成技术41-47
- 3.1.1 阵列多项式和z变换41
- 3.1.2 离散傅里叶变换41-43
- 3.1.3 仿真结果与分析43-47
- 3.2 最小二乘误差方向图合成技术47-50
- 3.2.1 最小二乘误差方向图合成技术简介47-48
- 3.2.2 仿真结果与分析48-50
- 3.3 非对称波束方向图合成技术50-53
- 3.3.1 差波束方向图合成技术简介50-51
- 3.3.2 仿真结果及分析51-53
- 3.4 发射端设置虚拟干扰方向图合成技术53-55
- 3.4.1 信号模型及理论知识介绍53-54
- 3.4.2 仿真结果与分析54-55
- 3.5 本章总结55-57
- 第四章 联合优化波束形成和人工噪声57-83
- 4.1 MISO系统中波束形成方法57-63
- 4.1.1 信号模型及问题描述57-59
- 4.1.2 仿真结果及分析59-63
- 4.2 MISO系统中人工噪声方法63-65
- 4.2.1 信号模型及问题描述63-64
- 4.2.2 仿真结果及分析64-65
- 4.3 MISO系统中联合优化波束形成与人工噪声65-71
- 4.3.1 信号模型及问题描述66-68
- 4.3.2 仿真结果及分析68-71
- 4.4 MISO系统中添加人工噪声的鲁棒性设计71-75
- 4.4.1 问题描述及求解71-73
- 4.4.2 仿真结果及分析73-75
- 4.5 联合优化有用信号和确定性人为干扰波束形成75-80
- 4.5.1 信号模型与问题分析75-78
- 4.5.2 仿真结果与分析78-80
- 4.6 本章总结80-83
- 第五章 研究总结与展望83-85
- 5.1 全文总结83-84
- 5.2 工作展望84-85
- 参考文献85-89
- 致谢89-91
- 攻读硕士学位期间的研究成果91
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