多天线认知无线系统中的物理层安全研究

来源 :南京邮电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:superxiaoqianqia
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随着无线通信数据量的爆发式增长,频谱资源变得尤为稀缺。然而,现有的固定式频谱分配政策使得大量的频谱资源处于空闲状态,导致频谱利用率低下。为此,认知无线电技术应运而生。此外,由于无线通信具有的广播特性,认知无线通信极易受到非法用户的窃听攻击。物理层安全作为一种新兴的抗窃听传输技术,通过利用无线信道的随机、互易和时变等物理特性,可望从根本上解决无线通信面临的安全问题。在此背景下,本文研究了多天线认知无线通信系统中的物理层安全问题,主要通过利用天线选择方法,以此改善认知无线系统的物理层安全性能。主要研究工作和创新点如下:首先,研究了多天线认知无线系统中的天线选择方法,在保证主用户通信服务质量不受影响的前提下,提出了一种基于全局瞬时信道状态信息(Channel State Information,CSI)的最优天线选择方法(Optimal Antenna Selection,OAS),定量分析了认知节点和窃听节点的天线数目对物理层安全的性能影响,理论上推导了轮回调度(Round Robin Scheduling,RRS)和OAS方案的安全分集度。与传统的轮回调度方案相比,OAS选择方案显著提升了认知通信的安全中断性能,获得了多天线认知通信系统的物理层安全性能上界。其次,针对被动窃听场景中源节点无法获取窃听信道瞬时CSI的问题,本文进一步提出了基于主信道质量的次优天线选择方案(Suboptimal Antenna Selection,SAS),理论上推导出SAS方案的安全中断概率的闭合表达式,并分析了SAS方案的安全分集度,给出了认知网络中各节点天线数目对安全中断性能的影响。仿真结果表明,与传统的RRS方案相比,所提出的SAS方案显著降低了安全中断概率。最后,研究了认知无线传输的安全-可靠折衷性能,通过有机结合能量采集与天线选择方法,以此实现能量有效的高安全可靠的认知无线通信。考虑到认知源节点难以获取窃听信道的瞬时CSI,提出了基于能量感知的天线选择(Energy Aware Transmit Antenna Selection,EATAS)方案,以改善认知无线通信的安全-可靠折衷性能,并将经典的轮回调度RRS方案作为对比方案。理论分析了EATAS和RRS方案的窃听概率和中断概率性能,结果表明所提出的EATAS方案显著改善了认知通信的安全-可靠折衷性能。
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