无线物理层安全传输关键技术研究

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1、无线物理层安全传输关键技术研究第一章绪论随着人类社会的进步和科技的发展，无线通信技术正在不断地改变人们的生活和工作方式，无线通信网络已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。特别是，最近几年，无线通信技术进入了一个更新换代的蓬勃发展时期，各种无线通信新技术不断涌现并逐步走向成熟。多输入多输出（Multiple-inputMultiple-output,MIMO）、协同通信（Cooperativemunication）、感知无线电（CognitiveRadio,CR）、正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisi

2、onMultiplexing,OFDM）和单载波频域均衡（SingleCarrier-FrequencyDomainEqualization,SC-FDE）等技术相继得到快速应用和发展。然而，由于无线传输的广播特性，使得传输范围内的所有节点均能够接收到信源发送的信号，这使得无线传输存在着被截获的安全隐患问题。传统基于计算量的加密机制从协议栈的应用层等上层解决无线通信的安全传输问题，其安全性面临着诸多问题。一方面，由于无线网络中节点的移动特性和资源有限，传统加密算法、密钥分发和管理将变得异常复杂。另一方面，随着计算能力的提高，传

3、统基于计算量的加密机制的安全性受到挑战。无线物理层安全技术从另外一个角度来考虑无线网络的安全传输问题。它利用主信道和窃听信道的随机性、差异性和互易性等特性从物理层实现信息的安全传输，近年来引起了国内外学术界和产业界的广泛关注。1.1物理层安全传输技术通常，安全通信（又称保密通信，Secrecymunications）包括两层含义：第一，合法收发用户之间能够进行无差错的传输；第二，确保其他用户无法获取该发送信息。香农在1949年首次阐述了安全通信的基本原理，并从信息论角度证明，当密钥的信息熵大于或等于发送消息的信息熵时，系统能够

4、达到完全保密（PerfectSecrecy）[1]。换而言之，为了达到完全保密，发送消息的每一比特信息至少需要一比特加密数据，即一次一密（one-timepad）。然而，实现香农所提出的完全保密通常是很难的，原因在于一次一密方案需要合法收发用户不断更新密钥数据。此外，香农的研究并没有考虑无线环境中噪声或干扰的影响。直到1975年，emorylessChannel,DMC）。.......1.2国内外研究现状物理层安全技术所获得的安全性能很大程度上依赖于发送端获取的主信道和窃听信道信息状况。在发送端具有不同信道信息的条件下，物理

5、层安全传输将具有不同的安全性能。针对本文所研究的窃听信道统计信息下的MISO系统物理层安全传输、未知窃听信道信息下的MIMO系统物理层安全传输、非理想信道信息下的MISO感知网络物理层安全传输及基于协同中继的物理层安全传输，本小节给出这些领域研究所存在的挑战及当前的研究现状。假定发送端已知窃听信道的统计信息，美国新泽西州立大学的Li在文献[63]中研究了MISOSE信道的最优输入信号方差设计问题。理论证明当发送端已知理想的主信道信息时，波束成形是最优的输入信号策略。进一步，Li将上述结果扩展到窃听信道为莱斯衰落的情况[64]。

6、随后，美国加州大学戴维斯分校的Bashar在文献[65]中研究了合法收发双方进行有限反馈波束成形的情形，且利用窃听信道的统计信息计算得到了系统的保密中断概率。然而，上述两种策略并没有考虑人工噪声（ArtificialNoise,AN）的使用。最近，国立台湾大学的Lin在文献[66]中证明当发送端已知窃听信道的统计信息时，使用人工噪声能够进一步提升系统的安全性能。人工噪声辅助安全传输的主要思想是发送端在发送有用信号的同时，使用一部分功率来发送人工噪声，以降低窃听者的接收性能。该技术首次由美国卡内基梅隆大学的Goel和Negi在文

7、献[67]中提出。......第二章窃听信道统计信息下的MISO系统人工噪声辅助安全传输算法2.1引言最近，人工噪声辅助波束成形技术，也称为掩蔽波束成形MB，引起了研究者广泛的关注。其主要思想是发送端在传输有用信号的同时，利用一部分功率来发送人工噪声，以达到提升系统安全性能的目的。在文献[17]中，Khisti证明掩蔽波束成形能够获得接近MISOME信道保密容量的渐近性能，已有研究证明，在仅有窃听信道统计信息的情况下，将人工噪声设计正交于主信道能够获得较高的安全性能，而且系统的安全性能取决于有用信号和人工噪声间的功率分配。文献

8、[61,67,73,74,78,109,110]分别从不同的性能度量角度研究了有用信号和人工噪声的功率分配问题。其中，在文献[67]中，Goel提出了一种功率分配算法来最大化系统的遍历保密容量。但是相应的优化问题涉及到多个衰落信道平均，致使最优功率分配参数的解析表达式很难获得