物理层安全通信中鲁棒性传输技术研究

发布时间：2017-12-12 07:36

  本文关键词：物理层安全通信中鲁棒性传输技术研究

  更多相关文章： 无线通信 物理层安全 服务融合 凸优化

【摘要】：无线通信的广播特性使无线通信的安全问题面临着严重的挑战。传统的上层秘钥加密方法随着计算机处理能力的提升,安全性也大大降低。与传统的上层秘钥加密方法不同,无线通信物理层安全(Physical Layer Security,PLS)传输技术基于无线信道自身的特性,利用信息论和信号处理技术,从根本上实现无线通信的无条件安全。PLS传输技术的主要思想是利用无线信道的特性来实现无线通信安全,具体传输技术的设计对用户的信道状态信息(Channel State Information,CSI)具有很强的依赖性,一般要求发送端已知所有用户的完美CSI,但在实际通信场景中,很多原因都会造成CSI的不准确,不准确CSI下的非鲁棒性传输技术很难达到系统的安全要求。因此研究非完美CSI下的鲁棒性传输技术意义重大。本文对非理想条件下的PLS鲁棒性传输技术进行了研究。首先,研究了多点协作场景下的PLS鲁棒性传输方案;然后,研究了面向物理层服务融合的PLS鲁棒性传输方案。具体研究内容如下:1、中继协作场景下,我们提出了一种联合信号转发和协作噪声的传输方案。通过最大化worst-case下的可达安全速率,设计最优中继权重矢量和噪声协方差矩阵。然而这种方案下的优化问题是非凸的,因此很难求解。我们通过采用两层优化模型,将非凸优化问题转化为了一系列凸优化问题。特别地,内层优化问题是半正定规划(Semidefinite Programming,SDP)问题,外层优化问题是一维搜索。仿真结果表明我们提出的联合传输方案与只转发信号的方案相比,可达安全速率得到显著提升。2、Helper协作场景下,我们提出了一种具有中断概率约束的鲁棒性传输方案。通过最大化中断概率约束下的可达安全速率,设计发送端和Helper端的传输协方差矩阵。我们将带有非凸概率约束的优化问题转化为了一系列凸优化问题。仿真结果表明,我们提出的方案与迫零(Zero Forcing,ZF)方案相比,可达安全速率得到显著提升。3、物理层服务融合多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)场景下,我们提出了一种基于服务质量(Quality of Service,Qo S)约束的鲁棒性传输方案。通过最大化worst-case下的可达安全速率域,设计最优保密服务和多播服务的传输协方差矩阵。我们采用Qo S约束的方法将非凸优化问题转化为了一系列凸优化问题。仿真结果表明,我们提出的基于Qo S约束的方案与时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)方案相比,可达安全速率域得到显著提升。并且我们还证明保密服务的最优传输协方差矩阵的秩为1,而多播服务的最优传输协方差矩阵的秩不大于4。特别地,完美CSI下,保密服务和多播服务的传输协方差的秩均为1,即波束赋形最优。4、物理层服务融合多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)场景下,我们同样提出了一种鲁棒性传输方案。通过最大化worst-case下的可达安全速率,设计保密服务和多播服务的传输协方差矩阵。利用泰勒级数展开近似,我们将原非凸优化问题转化为了凸优化问题,再通过迭代优化得到了近似最优解。仿真结果表明我们提出的鲁棒性传输方案与TDMA方案相比,可达安全速率域得到显著提升。……
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN918

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本文编号：1281712