面向物理层安全的协作干扰技术研究

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目面向物理层安全的协作干扰技术研究学科专业通信与信息系统 学     号          201211260219作者姓名    胡  林 指导教师 文  红   教  授 分类号密级注1UDC学位论文面向物理层安全的协作干扰技术研究（题名和副题名） 胡  林（作者姓名）指导教师  文  红       教  授电子科技大学      成  都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别 博士学科专业通信与信息系统提交论文日期2

2、017.9.28论文答辩日期2017.12.1学位授予单位和日期电子科技大学 2017年12月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。ResearchonCooperativeJammingTechniquesforPhysicalLayerSecurityADoctoralDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaDiscipline:CommunicationandInformationSystemAuthor:LinHuSupervisor:Prof.Hong

3、WenSchool:NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonCommunications独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权 本论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论

4、文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日摘要摘要保密数据业务(例如，金融数据，医疗数据，银行账户信息等)的高速增长，带来了日益突出的信息安全问题。由于无线信道的广播特性和叠加特性，使无线通信系统容易遭受安全攻击(例如，恶意拦截和窃听)，是安全通信和可靠通信面临的巨大挑战。在当前的无线网络中，主要通过在网络协议栈的上层使用基于密码学的加密技术来实现安全通信。然而，对于开放的无线网络环境，基于密码学的

5、加密和解密技术在密钥分发和管理的过程中存在固有的困难和缺陷，并且计算复杂度高。考虑到无线网络终端的资源和能量限制，需要研究低复杂度的安全解决方案。得益于信息理论的发展与完善，物理层安全技术在不依赖上层密钥的情况下，可以实现保密消息的安全传输。特别是当主信道(定义为发送节点和目的节点之间的信道)比窃听信道(定义为发送节点和窃听节点之间的信道)具有更高的可靠性，保密消息经过安全编码后能够使窃听节点无法正确译码，而目的节点能够可靠译码。更重要的是，随着主信道和窃听信道的质量差距增大，安全性能会逐渐增强。物理层安全的性能指标主要包括安全速率和安全中断概率。在波束成型和预编码的基础上，通过发射人工

6、噪声(ArtificialNoise,AN)进一步降低窃听信道的信道质量，能够提高安全速率或降低安全中断概率。在多天线安全传输的基础上，利用节点之间的协作进一步提高安全性能吸引了越来越多的关注。协作安全传输的方法主要包括协作转发和协作干扰。协作转发方案中，协作节点通过转发保密消息能够有效提高目的节点的接收信号质量。该过程主要包括两个阶段：在第一阶段(广播阶段)，协作节点接收发送节点发送的保密信号；在第二阶段，协作节点向目的节点转发保密信号。然而，广播阶段的安全传输是制约协作转发的关键因素。特别是当协作节点无法可靠接收保密信号时，信息泄露的风险大大增加。因此，本文研究利用协作干扰来实现物理

7、层安全性能增强。在协作干扰方案中，协作节点发射干扰信号降低窃听信道的质量。发送节点向目的节点发送保密信号，同时发射人工噪声进一步降低窃听信道的质量。在发送节点功率受限的条件下，优化保密信号和人工噪声之间的功率分配对增强物理层安全性能至关重要。尽管多天线安全传输方案下的功率分配问题已经取得了一定的研究成果，但在协作干扰方案下该问题研究得并不充分，并且已有的成果不易于扩展到协作干扰方案。对此，本文系统地研究了面向物理层安全的协作干扰，包