基于合作通信的物理层安全方法研究

发布时间：2020-04-14 06:21

【摘要】：众所周知,通信质量一般从三个方面进行衡量:有效性,即衡量在同样带宽条件下所能传输信息的容量或吞吐量;可靠性,也就是数据在信道传输过程中由于各种噪声而带来的误码率指标;安全性,即数据传输过程中面对人为破坏和威胁时的抵抗能力。随着进入大数据时代,网络安全越来越受国家重视,甚至到了“没有网络安全就没有国家安全”的重要程度。相对于封闭的有线通信系统,无线网络由于其传播媒介的开放性更容易受到安全威胁。目前一般信息安全依赖于上层的数据加密技术,需要一定的计算复杂度,而且这种加密实现需要占用一定的开销。在这种背景下,物理层安全的研究逐渐成为近来的研究热点。物理层安全本质上是利用无线信道的各种随机特性,通过信号处理、天线、编码调制等物理层手段,实现对信息的安全传输。与传统的加密方法相比,物理层安全有很多优点,比如无需上层复杂的密钥交换流程等。本文从无线网络中用户端所面临的各种实际因素出发,利用合作通信手段去解决在这些场景条件下的物理层安全问题。论文主要考虑了用户终端的移动性、用户的业务特点和用户终端能耗三个因素,提出了在不同场景下基于合作通信的物理层安全增强的方法,并深入分析了对应的物理层安全性能,为物理层安全的实际部署应用起了一定的推动作用。本文的研究工作主要包括以下三个方面:(1)针对用户终端具有移动性特点,为了保证用户在小区中心、小区交叠处等不同位置时的安全性能,本文提出了“无缝安全”的概念,即考虑了用户在不同位置时的安全性能,当用户在多个小区之间穿越时一直能保证安全性能指标。为了达到此目的,主要思想是利用多小区的宏分集,提出了一种联合天线选择(Transmit Antenna Selection,TAS)与协作通信(Cooperative Communication)的物理层安全传输方法(TAS-Cop)。首先,两个彼此相隔一定距离的基站都具有多根天线,利用天线选择技术,每个基站都选择能使合法接收用户信噪比最大的天线发送保密信息;其次,当用户在两个基站覆盖范围内移动时,基站彼此之间通过协作从而动态地调整各自的发送功率,在用户端通过一定的合并算法以寻求最佳的安全性能。分析与仿真结果表明,本文提出的基于天线选择与合作通信联合的物理层安全增强方法,能有效地提升用户在小区不同位置的安全性能。(2)在实际网络里,考虑用户业务往往服从一定的分布,比如服从泊松分布的规律,这势必将影响用户的安全策略。本文提出了一种基于博弈论的合作干扰物理层安全方法。首先,利用连续时间马尔科夫链对用户的业务模型进行了系统建模,其次,设计了主用户和次级用户各自的效用函数,次级用户可作为友好的干扰节点以提升主用户的安全性能,同时作为回报,主用户腾出部分频谱供次级用户传输数据。通过求解博弈论最佳策略,得出主用户和次级用户通过彼此合作能得到更高的效益。(3)为了追求物理层安全性能,同时考虑优化终端功耗、达到绿色通信目标,本文提出了一种自适应的传输策略。在两跳多中继单窃听系统模型中,源节点和目的节点可通过中间节点执行中继。本文提出了两种传输策略,即只选择中继节点传输策略和中继干扰节点同时存在的传输策略。当单独中继节点就能满足预定的安全性能时,则选择只有中继节点的传输策略,从而节约能耗。当单独中继节点不能满足预定的安全性能时,则同时选择中继干扰双节点的传输策略,干扰节点用于确保安全性能。系统根据所设定的规则可在两种策略条件下自适应的切换。相比较于无中间节点协作的直传方法,本文提出的协作中继传输方法在满足安全速率条件的同时,可有效降低系统的总功耗。
【图文】：

第１章绪论逦逡逑（１）不可信中继逡逑不可信中继既能中继有用信号，也能扮演窃听者窃取有用信号，如图１－７所逡逑信源利用中继节点将信息中继至信宿，但同时也不想让信息被中继节点窃听。逡逑问题模型首先在文献［３７］里被提出。文献［３８］－［４０］利用编码理论探索了这类逡逑下的安全容量界限，结果表明尽管中继节点是不可信的，但合作仍然有用，逡逑得非负的安全容量。文献［４１］研宄在单跳不可信中继节点下，利用信源／中继逡逑联合波束成形，从而最大化安全速率。文献［４２］则研宄在两条不可信中继下，逡逑迭代算法，，最优信源／中继联合的波束成形因子。文献［４３］在［４１］［４２］研究的逡逑波束形成基础上，还提出了最优中继节点选择方法。而在实际环境中，考虑逡逑落信道，相比较遍历安全容量，安全容量中断概率（Ｓｅｃｒｅｃｙ邋ｏｕｔａｇｅ邋ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，逡逑Ｐ）更具实际意义。文献［４４］聚焦于研宄在ＡＦ协议下的安全容量中断概率。逡逑逦逦

容量,非零,中断概率,概率

ｅ逡逑图２－３非零安全容量概率ｖｓ＿邋＼邋（匕＝Ｌ邋＝匕二７ｆ２邋＝邋０邋ｄＢ）逡逑图２－４分析了在安全容量＆邋＝１时的容量中断概率的性能。从图中可逡逑以看出，容量中断概率Ｐｊ／Ｕ随着乙或＆，Ｉ的增加而减小。此外，该图还逡逑描绘了渐进的容量中断概率，用“Ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ”表示。当匕、趋于高信噪比逡逑时，如２０ｄＢ，精确的容量中断概率Ｕ＆）将接近渐近中断概率。因此，可以证逡逑明本章渐近中断概率推导的正确性。值得注意的是，我们从式（２．２１）得到的逡逑３１逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN918

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