物理層安全通信中魯棒性傳輸技術(shù)研究.pdf

1、無線通信的廣播特性使無線通信的安全問題面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的上層秘鑰加密方法隨著計算機(jī)處理能力的提升，安全性也大大降低。與傳統(tǒng)的上層秘鑰加密方法不同，無線通信物理層安全(Physical Layer Security,PLS)傳輸技術(shù)基于無線信道自身的特性，利用信息論和信號處理技術(shù)，從根本上實現(xiàn)無線通信的無條件安全。
　　PLS傳輸技術(shù)的主要思想是利用無線信道的特性來實現(xiàn)無線通信安全，具體傳輸技術(shù)的設(shè)計對用戶的信道狀態(tài)信息(Ch

2、annel State Information,CSI)具有很強(qiáng)的依賴性，一般要求發(fā)送端已知所有用戶的完美CSI，但在實際通信場景中，很多原因都會造成CSI的不準(zhǔn)確，不準(zhǔn)確CSI下的非魯棒性傳輸技術(shù)很難達(dá)到系統(tǒng)的安全要求。因此研究非完美CSI下的魯棒性傳輸技術(shù)意義重大。本文對非理想條件下的PLS魯棒性傳輸技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，研究了多點(diǎn)協(xié)作場景下的PLS魯棒性傳輸方案；然后，研究了面向物理層服務(wù)融合的PLS魯棒性傳輸方案。具體研究內(nèi)容如

3、下：
　　1、中繼協(xié)作場景下，我們提出了一種聯(lián)合信號轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作噪聲的傳輸方案。通過最大化worst-case下的可達(dá)安全速率，設(shè)計最優(yōu)中繼權(quán)重矢量和噪聲協(xié)方差矩陣。然而這種方案下的優(yōu)化問題是非凸的，因此很難求解。我們通過采用兩層優(yōu)化模型，將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為了一系列凸優(yōu)化問題。特別地，內(nèi)層優(yōu)化問題是半正定規(guī)劃(Semidefinite Programming,SDP)問題，外層優(yōu)化問題是一維搜索。仿真結(jié)果表明我們提出的聯(lián)合傳輸方案

4、與只轉(zhuǎn)發(fā)信號的方案相比，可達(dá)安全速率得到顯著提升。
　　2、Helper協(xié)作場景下，我們提出了一種具有中斷概率約束的魯棒性傳輸方案。通過最大化中斷概率約束下的可達(dá)安全速率，設(shè)計發(fā)送端和Helper端的傳輸協(xié)方差矩陣。我們將帶有非凸概率約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為了一系列凸優(yōu)化問題。仿真結(jié)果表明，我們提出的方案與迫零(Zero Forcing,ZF)方案相比，可達(dá)安全速率得到顯著提升。
　　3、物理層服務(wù)融合多輸入單輸出(Multip

5、le Input Single Output,MISO)場景下，我們提出了一種基于服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)約束的魯棒性傳輸方案。通過最大化worst-case下的可達(dá)安全速率域，設(shè)計最優(yōu)保密服務(wù)和多播服務(wù)的傳輸協(xié)方差矩陣。我們采用QoS約束的方法將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為了一系列凸優(yōu)化問題。仿真結(jié)果表明，我們提出的基于QoS約束的方案與時分多址(Time Division Multiple Acces

6、s,TDMA)方案相比，可達(dá)安全速率域得到顯著提升。并且我們還證明保密服務(wù)的最優(yōu)傳輸協(xié)方差矩陣的秩為1，而多播服務(wù)的最優(yōu)傳輸協(xié)方差矩陣的秩不大于4。特別地，完美CSI下，保密服務(wù)和多播服務(wù)的傳輸協(xié)方差的秩均為1，即波束賦形最優(yōu)。
　　4、物理層服務(wù)融合多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)場景下，我們同樣提出了一種魯棒性傳輸方案。通過最大化worst-case下的可達(dá)安全速率，設(shè)計保