无线通信中安全传输与精准干扰关键技术研究

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随着数据服务和无线应用需求的爆炸式增长,无线通信技术得到迅猛发展。然而无线传输的广播性与开放性也给无线通信带来巨大的挑战,无线信号极容易被非法用户窃听和篡改。信息安全在无线网络中扮演着越来越重要的角色。物理层安全技术利用波束成形、人为噪声(Artificial Noise,AN)等方法,降低非法窃听者截获隐私信息能力,有效地提高信息传输的安全性。论文围绕无线信息安全传输与精准干扰开展研究,主要研究内容与创新如下:1)为了显著降低窃听者截获隐私信息的能力,运用随机子载波选择、方向调制和相位对齐约束(Phase Alignment Constraint,PAC)下的波束成形,构建了安全的精准干扰与通信一体化框架,进而提出了最小发送功率(Minimum Transmit Power,Min-TP)和最小正则化发送功率(Minimum Regularized Transmit Power,Min-RTP)两种波束成形算法。后者为了解决前者的鲁棒性问题,引入了惩罚项。仿真结果表明:在中、高信噪比(Signalto-Noise Ratio,SNR)区域,所提的Min-TP和Min-RTP波束成形算法安全速率性能优于现有的等幅度和零空间投影算法;Min-RTP算法性能稍微优于Min-TP算法,随着发射天线数目的增大,两者性能趋近。特别指出,所提两种算法在窃听用户和期望用户处分别形成能量主峰,从而有效干扰窃听用户,同时提高期望用户安全速率。2)为了实现安全性能和硬件成本的良好平衡,针对毫米波通信,提出一种基于混合数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)的混合数字和模拟波束成形算法。混合DAC结构由便宜的低精度DAC与昂贵的高精度DAC组成。在已知部分窃听信道状态信息的场景下,推导出该系统的平均安全速率(Average Secrecy Rate,ASR)的近似闭式。然后,运用最大化ASR准则,提出交替迭代的混合波束成形框架。其基本思路:联合Dinkelbach和Majorization-Minimization方法来求解恒模约束的模拟波束成形,且通过低复杂度的梯度下降法构建隐私信息波束成形和AN波束成形向量。仿真结果表明:在中、高SNR区域,所提的交替迭代算法安全速率性能优于现有的安全混合波束成形方法。另外,所提的算法在混合DAC结构中安全性能表现优异。
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