基于自由度分析的物理层安全通信理论和方法研究

发布时间：2018-11-07 09:49

【摘要】：如何在保证保密数据不被窃听者窃取的同时,以更大的传输速率传输保密数据,一直是物理层安全(Physical Layer Security,PHY)传输中最受关注的问题。对于给定的多天线输入多天线输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)窃听信道,PHY传输的安全容量关于输入信号协方差矩阵的闭合表达式已经明朗。然而,如何优化输入信号协方差矩阵,从而获得最大可达安全传输速率,却还面临着许多的理论难题:1)安全传输速率关于输入信号协方差矩阵的优化问题是非凸的,很难找到可解析分析的方法,确切的安全容量值仍然是一个开放性问题。2)由于人工噪声的引入,噪声信号协方差矩阵与信息信号协方差矩阵相互耦合,这使得安全容量的解析分析变得更加困难。3)在更加复杂的应用场景下,即保密通信与公用通信融合的场景、双向通信场景、Active-窃听场景,如何洞察PHY传输技术的内在机理,突破现有的PHY传输方法,解决现有PHY传输技术中存在的频谱利用率低、计算复杂度高及鲁棒性差等问题,具有极强的研究意义及应用价值。针对以上问题,本文以支持更高的安全传输速率为核心目标,分析最大可达安全传输速率与通信网络中各节点参数之间的函数关系,提出能够支持更高安全传输速率的物理层安全传输方案。可以预见,本文的研究成果可以发展和完善物理层安全传输理论框架、技术方案和算法,并推动物理层安全传输关键技术在未来无线通信系统中的应用。主要工作如下:1)针对安全速率关于输入协方差矩阵非凸的问题,本文提出了以安全自由度为度量指标。安全自由度,代表高信噪比下可达安全传输速率随功率增长的斜率,因此具有明显的物理意义;此外,由于可达安全自由度与系统工作功率无关,其解析结果相较于安全速率的分析而言,要简单一些。针对不同的应用场景,本文研究了可达安全自由度或者可达安全自由度域,与系统各节点天线数目之间的函数关系。此函数关系揭示了可达安全传输速率或者可达安全传输速率域与系统各参数之间的解析关系,对系统的参数设计具有指导意义。2)针对噪声信号协方差矩阵与信息信号协方差矩阵相互耦合的问题,在最大可达安全自由度不变的前提下,通过缩小预编码矩阵的定义域,降低优化设计预编码矩阵的困难。具体的,本文考虑了应用额外辅助节点发送人工噪声的四节点抗窃听场景,所有的节点均配置了多根天线。首先,本文提出了一种启发式的安全传输方案:信息信号和噪声信号对齐在窃听者的同一个接收信号子空间里,且分散在合法者不同的接收信号子空间里。接着,本文证明了满足安全传输方案约束的预编码矩阵能够实现最大可达安全自由度。在此安全传输方案的基础上,本文提出了闭式的预编码矩阵设计方案,并给出了系统最大可达安全自由度与系统各节点天线数目之间的函数关系。3)针对保密通信网络与公用通信网络共存融合的问题,本文研究了基于干扰协调的PHY传输技术。具体的,本文考虑保密通信网络与公用通信网络共存的场景,利用来自公用网络的共信道干扰替代人工噪声,达到提高安全传输速率的目的。通过将四节点抗窃听信道中所提的安全传输方案进行扩展,本文提供了实现自由度域外边界上自由度对的预编码矩阵的设计方案;给出了最大可达安全自由度域与各节点天线数目之间的函数关系。此函数关系从理论上明确了公用网络与保密通信网络可达安全传输速率之间的折中关系。仿真结果证实了,随着两个网络之间距离的拉近,虽然公用网络可支持的传输速率有所下降,但是下降数值小于保密通信网络可支持的安全传输速率的增加值。并且,两个网络之间距离的拉近,能够对抗由于信道估计误差带来的安全传输速率的下降。4)针对经典窃听信道中,安全容量受限的问题,本文研究了一种新的通信结构——双向通信,旨在提供安全服务的同时,提供更高的安全传输速率。具体的,本文考虑通信双方均以全双工模式工作,即,在接收信号的同时,发送信息信号给对方。和保密通信网络与公用通信网络共存的场景相比,此时窃听者对通信双方发送的信息信号都感兴趣。因此,可达安全传输速率域关于输入信号协方差矩阵的优化设计更加困难。通过对四节点抗窃听信道中所提的安全传输方案进行扩展,本文给出了预编码矩阵的设计方案;同时本文给出了可达和安全自由度关于各节点天线数目之间的函数关系。仿真结果证实了,所提方案不仅计算复杂度低,而且能够支持更高的安全传输速率,对自干扰及窃听者的位置均具有鲁棒特性。5)针对Active-窃听(窃听者根据实际情况决定是否发送干扰信号攻击、阻止当前通信过程)的问题,本文研究了对应的PHY传输技术。具体的,本文提出合法接收端仅用一部分天线接收信息信号,另外一部分天线发送人工噪声,恶化窃听信道质量;并且,以最大化可达安全自由度为目标,优化了合法接收者的收发天线数目。进一步的,本文考察了窃听者可以自适应地分配其负责窃听与攻击的天线数目的情况,给出了最坏情况下的可达安全自由度。结果表明,只要合法接收者比窃听者拥有更多的天线数,本文总能找到一种预编码方案,获得正的安全自由度。仿真结果证实了,所提方案相比半双工方案能够支持更高的安全传输速率;此外,所提方案关于自干扰,窃听者的位置,以及信道估计误差具有鲁棒特性。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN918

【参考文献】