多天线无线通信物理层保密传输技术研究

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1、博士学位论文多天线无线通信物理层保密传输技术研究学位申请人：王超指导教师：王慧明教授学科名称：信息与通信工程2016年3月ResearchonPhysicalLayerSecurityTransmissionTechnologyinMultipleAntennaWirelessCommunicationAdissertationsubmittedtoXi’anJiaotongUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringScienceByChaoW

2、angSupervisor:Prof.Hui-MingWang(InformationandCommunicationEngineering)March2016摘要论文题目：多天线无线通信物理层保密传输技术研究学科名称：信息与通信工程学位申请人：王超指导教师：王慧明教授①摘要由于传输媒介的开放性和广播性的特点，确保无线通信的安全性一直是一个严峻的挑战。传统通信保密技术主要采用密钥加密技术对数据在上层进行加密，是“计算上安全”。但是传统的方法忽视了通信的物理层安全，使物理层成为当前无线通信安全的短板。因此，为无线通信的物理层打造坚不可摧的保密技术是当前最迫切要解

3、决的问题。物理层安全是信息论意义上的安全，与“计算上安全”不同，它无关窃听者的计算能力。物理层保密通信技术通过利用合法信道和窃听信道的差异性设计编码方案和处理发射信号以保障私密信息传输的安全性。论文以多天线无线物理层保密传输技术为研究对象，系统地研究了其中两种常用技术：安全波束形成（SecureBeaforming）和人工干扰（ArtificialJamming）。安全波束形成通过设计波束的方向在最大化合法接收机信号接收质量的同时，最小化泄露给窃听者的私密信息，而人工干扰则通过发射干扰信号以降低窃听者的信号接收质量。多天线系统包括多输入多输出（Multiple

4、-InputMultiple-Output,MIMO）系统和协作系统，其中协作系统一般被称为虚拟MIMO系统。针对不同的多天线系统自身的特点，论文为其量身定做了物理层保密传输方法，并分析了其可达的安全性能。本论文的主要贡献可被归纳为以下几点：1.提出了MIMO保密传输中的信道训练开销、反馈开销、私密信号和人工干扰的联合优化框架。在MIMO窃听信道中，为保护私密信息的安全传输，发射机同时发射私密信号和人工干扰，其中发射预编码矩阵的设计依赖于合法接收机的信道估计质量和反馈信息的质量。虽然在信道训练和反馈上花费的资源越多，发射机估计到的信息就越精确，但是这会减少用于

5、私密信号传输的系统资源，从而会降低系统可达的有效遍历安全传输速率。因此在信道训练、反馈和信号传输之间存在最优的折中。为最大化系统可达的有效遍历安全传输速率，论文提出了一种联合优化信道训练开销、反馈开销、私密信号和人工干扰的迭代优化算法。2.提出了分布式天线系统中基于信道大尺度衰落信息的保密传输技术，并给出了各个天线端口（AntennaPort,AP）中私密信号和人工干扰的联合优化方法。相干保密①本研究得到了下列基金的资助：全国优秀博士论文作者专项基金（编号：201340），国家863项目（编号：2015AA011306）,新世纪优秀人才支持计划（NCET-13

6、-0458）,霍英东青年教师基金（编号：141063）,和中央高校基本科研业务费专项资金资助（编号：2013jdgz11），陕西省青年科技新星项目（2015KJXX-01）。I西安交通大学博士学位论文传输技术需要AP之间严格的相位同步和瞬时信道信息。为降低AP与中央处理器之间所需的回程链路容量和系统实现的复杂度，论文利用信道大尺度衰落信息为分布式天线系统设计了低复杂度的保密传输方案。在所提出的保密传输技术中，各个AP独立地发射私密信号和干扰信号，无需相干发射，其中每个AP的发射功率根据合法信道和窃听信道的大尺度衰落信息进行优化以实现系统遍历安全传输速率的最大化

7、。3.提出了协作系统中混合的机会中继选择和协作干扰保密传输方案，并给出了中继选择和干扰功率的联合优化方法。由于协作系统存在两阶段的信息泄露，因此协作传输的安全性受到严重威胁。针对译码转发（Decode-and-Forward,DF）协作网络，为最大化网络可达的遍历安全传输速率，论文提出了一种混合的机会中继选择和协作干扰的保密传输技术。具体说来就是，选出一个最优的中继转发私密信号，同时其余中继节点协作地发射干扰信号以保护私密信号的两阶段传输。机会中继选择可以充分地利用系统空间分集增益最大化合法接收机的接收质量，而协作干扰可以充分地利用系统的可用空间自由度发射干扰

8、信号阻塞潜在的窃听者。论文进一步分析了