【摘 要】
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信息的私密性是确保网络安全的基础,由于无线传输的广播特性使得无线信号极易被窃听,因此安全是无线通信系统中一直被研究的课题。传统的保密方法是通过密码算法确保只有合法用户才能正确解密,而第三方窃听者无法还原信息,从而保证信息的安全。无线信道因其自身的信道特性使得用户的信道对于窃听者是不可测量和不可复制的,这反映出无线信道具有内在的安全属性。物理层安全技术巧妙利用这一特性,从信号层面入手策划安全机制,为
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信息的私密性是确保网络安全的基础,由于无线传输的广播特性使得无线信号极易被窃听,因此安全是无线通信系统中一直被研究的课题。传统的保密方法是通过密码算法确保只有合法用户才能正确解密,而第三方窃听者无法还原信息,从而保证信息的安全。无线信道因其自身的信道特性使得用户的信道对于窃听者是不可测量和不可复制的,这反映出无线信道具有内在的安全属性。物理层安全技术巧妙利用这一特性,从信号层面入手策划安全机制,为解决无线通信的开放性问题提供了新的工具和手段。物理层安全的核心思想是不依赖于传统的加密技术,通过增强合法信道(主信道)或降低窃听信道的通信性能,从而创造主信道的优势,使窃听者无法获得有效信息来确保信息的安全传输。协作中继利用无线信道的空间特性是提高源节点到目的节点的主信道容量的有效措施,但在许多实际场景中,协作中继会存在不受信的情况,研究表明,基于不受信的中继也可以提高物理层安全特性。此外,与半双工相比,全双工中继能更好的提升系统的保密性能,更有效的利用频谱效率,但是全双工会引入额外的残留自干扰,干扰保密信息的传输,导致系统性能的下降。因此,如何在存在残留自干扰的情况下提高不受信中继系统的安全性是本论文讨论的重点。基于以上的研究背景,本文主要研究了两种不同场景下的全双工不受信协作中继系统,引入了人工噪声,通过联合优化通信节点的功率,提出了不同场景下的提升全双工不受信中继安全通信策略,主要研究工作如下:(1)基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的全双工不受信中继的通信系统。本文把全双工不受信协作中继推广到OFDM系统中,为了保证保密信息的安全传输,提出了基于源节点发送人工噪声干扰的安全传输策略。研究中,我们提出了针对源节点子载波功率分配因子和中继节点子载波转发功率的联合优化算法来最大化系统的保密速率。但因该优化问题是一个非凸问题,本文采用了基于块坐标下降和连续凸优化的迭代算法来有效的求解原非凸问题。仿真结果表明,与源功率优化和半双工基准方案相比,本文提出的优化方案具有更高的安全性能。(2)基于无线携能(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)的全双工不受信中继网络模型。考虑资源有限问题,本文针对全双工不受信中继通信系统中所存在的信息安全和能量受限问题,提出了一种基于人工噪声干扰与无线携能通信结合的物理层安全传输方案,其中能量受限的不受信中继采用功率分割或时间切换策略实现SWIPT,源节点发送保密信息和人工噪声。为了最大化系统的保密速率,我们建立了功率分配因子和功率分割因子/时间切换因子的联合优化方案,同时以半双工功率分割/时间切换方案为基准方案进行分析。仿真结果表明,与半双工中继相比,所提的全双工方案具有更优的系统保密性能,同时在高发射信噪比下,基于功率分割的全双工方案具有更高的保密速率。
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