基于协作技术的物理层安全方案研究

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1、学校代码：10255学号：2151114基于协作技术的物理层安全方案研究THERESEARCHOFPHYSICALLAYERSECURITYSCHEMEBASEDONCOOPERATIVETECHNOLOGIES学科专业：信息与通信工程论文作者：欧阳念指导老师：白恩健答辩日期：2018年1月18日3基于协作技术的物理层安全方案研究基于协作技术的物理层安全方案研究摘要近年来，在无线通信系统中，数据传输的媒介极具开放性，而无线的终端移动性很强，再加上不稳定的无线网络结构，想要在这样一个通信系统中实现安全、可靠的数据传输，对于我们来说是一个既很重要又很严峻的问题。由于计算机技术的迅猛发展与进步，

2、具有相当强计算能力的量子计算机出现在我们的面前，因此，在网络协议栈的上层采用密码加密和解密的方法日益面临着愈发严峻的考验。基于物理层安全的相关技术成为一种在上层进行加密的替代或补充，主要是利用无线通信系统中信道的空间唯一性、互易性以及多径的特性来实现底层安全又可靠的数据通信。本论文以无线通信系统的物理层安全问题为主要研究对象，比较系统全面地考察了基于窃听信道的放大转发（AmplifyandForward，简称AF）中继系统的性能。本论文的主要创新点如下：1．在AF中继通信系统中，存在着一个窃听者，为了解决该系统在物理层上的安全问题，本文提出了一种目标节点协助的干扰和波束成形方案。在第一阶段

3、中，由目标节点发射干扰信号来降低窃听者的窃听信道条件；而在第二阶段中，在中继节点放大转发的信号中添加人工噪声，同时利用分布式的波束成形技术将人工噪声的零空间对准目标节点。然后，通过分析系统的保密速率来衡量其安全性能，在这个过程中，可以采用二阶锥规划和线性规划的优化方法获得最优的波束成形向量和解决各节点的功率分配问题。由仿真的结果可知，此方案使系统明显增大了其保密速率。2．当AF中继通信系统的中继节点功率受限时，在存在窃听者的情况下，提出了一种目标节点协助的干扰和能量采集方案，并通过遍历保密容量这个性能指标来衡量整个系统的安全性。当中继节点功I基于协作技术的物理层安全方案研究率受限而不足以对

4、信号进行放大转发时，可以通过对源节点和目标节点分别发射的有用信号和干扰信号进行能量采集来实现信号的安全、可靠传输。然后，计算系统可获得的遍历保密容量Cs，分析能量采集的时间比和功率分裂因子对Cs的影响。基于时间切换中继（TimeSwitchingRelaying，简称TSR）协议和功率分裂中继（PowerSplittingRelaying，简称PSR）协议，本文提出了一种JTP（JointTSRandPSR）协议，并针对这三种不同的能量采集协议进行了比较和分析。从仿真结果可知，当源节点的发射功率P比较小，如PdBm20时，JTP协议ss可以提供较好的系统性能。另外，适当增大能量转换效

5、率因子，JTP1协议更加能够增大系统的Cs。关键词：协作技术，能量采集，保密容量，物理层安全II基于协作技术的物理层安全方案研究THERESEARCHOFPHYSICALLAYERSECURITYSCHEMEBASEDONCOOPERATIVETECHNOLOGIESABSTRACTInrecentyears,inthewirelesscommunicationsystem,themediumofdatatransmissionhasextremeopenness,andthewirelessterminalhasstrongmobility.Coupledwiththeunstable

6、wirelessnetworkarchitecture,itwillbeaveryimportantandseriousproblemforus,ifwedesiretorealizesafeandreliabledatatransferinsuchacommunicationsystem.Duetotherapiddevelopmentandprogressofcomputertechnology,thequantumcomputerwithconsiderablecomputationalpowerappearsinfrontofus.Therefore,themethodofadop

7、tingencryptionanddecryptionontheupperlayerofthenetworkprotocolstackisfacingincreasinglyseveretests.However,therelatedtechnologiesbasedonthephysicallayersecurityhavebecomeanalternativeorsupplementthatcarriesonencr