基于NOMA的协作中继网络安全性能分析

由于非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)能够显著提升系统的频谱资源利用率,在下一代移动通信中得到广泛应用。对NOMA环境下多中继协作网络的最优中继选择方案和系统安全性能进行了分析和讨论,其中包含窃听者仅窃听中继和窃听者同时窃听中继及源节点这2种情况下的系统安全性能表现,并与相同场景下正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)网络进行了对比。最终的理论分析和仿真结果表明,在所提出系统模型中,当信道条件相同时,NOMA网络总能取得相较于OMA网络更好的安全性能,同时随着系统中继节点数目的增多,NOMA网络在物理层安全性能上获得更大的优势。     

非理想硬件条件下协作NOMA系统安全中断性能研究

实际收发设备的非理想硬件(RHI,Residual Hardware Impairment)特性会对协作非正交多址接入(NOMA,Non?Orthogonal Multiple Access)系统性能产生重要影响.因此,本文提出了基于RHI的下行链路单窃听多中继协作NOMA系统模型,推导了联合考虑合法链路和窃听链路使目标信噪比最大化(M?LaE?SNR,Maximized SNR for Legiti-mate and Eavesdropping link)中继传输方案下的安全中断概率闭合表达式和渐近表达式.分析和仿真结果表明,所提M?LaE?SNR方案相比其他方案可有效提高用户的安全中断性能,且中继数越多所提方案性能优势越明显;同时RHI使得系统安全传输性能降低,且RHI对性能的影响程度主要与主链路信噪比以及协作中继个数有关;且不同节点处的RHI对系统安全性能造成的影响程度不同.研究结果还证明了用户的安全分集阶数等于中继数量K.     

NOMA系统中基于协作干扰的物理层安全方案

针对NOMA系统中的信息安全传输问题,提出基于协作干扰的物理层安全方案,该方案利用外部协作节点发送干扰信号恶化窃听者的接收性能。本文首先利用泊松点过程对协作节点和窃听者的位置进行安全建模,然后推导了随机协作干扰方案下系统保密中断概率的闭式解,但随机协作干扰方案会同时恶化合法用户的接收信号,性能有限,因此提出一种信道增益受限的协作干扰方案,该方案选择到近端用户和远端用户的瑞利信道因子均小于一定阈值的协作节点发送干扰信号,会对窃听者造成更严重的影响。仿真结果表明,在NOMA系统中采用受限的协作干扰方案能够有效提升系统安全性能。      

多天线携能通信系统中的物理层安全研究

针对多天线无线携能单用户多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统,在能量塔采用时隙切换方案的基础上,考虑信源采用最大比传输、接收方采用选择合并方案、窃听方采用最大比合并方案情况,针对窃听信道的信道状态信息已知和未知的情况,分别推导出系统安全中断概率、窃听概率和遍历安全容量的理论表达式,并通过蒙特卡洛仿真验证了理论表达式的准确性。结果表明,多天线在窃听信道平均信噪比较低的场景下对系统安全性能的提升更为显著;时隙切换因子、发送端能量转换效率的提高对系统窃听概率的降低无贡献,但能降低系统安全中断概率或提高系统遍历安全容量。     

基于MF协议的协作NOMA系统物理层安全性能研究

针对协作非正交多址(NOMA)系统中信息安全传输问题,该文提出一种基于修改转发(MF)中继的物理层安全(PLS)传输方案。该方案利用MF中继将解码信息修改后再转发,避免了合法信息泄露到窃听节点。首先对NOMA-MF系统进行建模,然后推导了系统安全中断概率(SOP)、严格正保密容量(SPSC)和窃听概率(IP)来衡量系统的保密性和安全性,以及中断概率(OP)以衡量其可靠性。此外,推导了系统的渐近性能,对比分析了解码转发(DF)协议下NOMA-DF系统与NOMA-MF系统的性能。推导及仿真结果表明：NOMA-MF系统的保密性能和安全性能比NOMA-DF系统更具有优势;NOMA-MF系统的OP和IP之间存在最优信噪比(SNR)以实现系统安全及可靠性的平衡;存在最佳功率分配参数以实现最低的SOP和OP。     

MF中继选择系统的物理层安全性能

针对合谋窃听场景下单天线多中继修改转发（MF）协作无线系统的安全性能较差问题,提出一种合谋窃听场景下联合源节点发送天线选择（TAS）和多中继选择的MF协作物理层安全系统,考虑最优的最大化主信道信噪比（SNR）和次优的最大化源节点-中继节点链路 SNR 两种中继选择方案,推导其安全中断概率（SOP）和遍历安全容量（ESC）的解析表达式。最优或次优中继选择的MF安全中继系统的SOP和ESC的数值计算结果与仿真结果相吻合,验证了上述理论分析的正确性;同时也表明源节点发射天线数和中继节点数越多、窃听节点数越少,最优或次优中继选择的MF安全中继系统的物理层安全性能越好。     

基于安全保护域的增强型多点协作传输机制

现有针对异构蜂窝网多点协作安全传输的研究集中于增强主信道质量以提升安全性,然而多基站协作又使基站和窃听者之间的平均距离变近,网络的安全性受限于距离协作基站较近的窃听者。针对该问题,该文提出一种基于安全保护域的增强型多点协作传输机制。然后,理论分析了用户的连接中断概率、安全中断概率以及安全吞吐量。进一步,以最大化安全吞吐量为目标,优化协作微基站的发射功率以及有用信息功率分配比例系数。仿真结果表明,相比于传统的多点协作安全传输机制,在存在严重安全威胁(窃听者密度较大)的场景下,所提机制可以实现非零系统安全吞吐量;在存在较小安全威胁(窃听者密度较小)的场景下,系统安全吞吐量最大可提升76.1%。     

自适应窃听下NOMA用户协作干扰的物理层安全研究

在存在一个半双工自适应窃听者的通信模型中,分析了采用非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术合作系统的性能。提出了一种新型的合作NOMA方案,该方案在中继转发时,强用户可充当中继协助转发弱用户信号,而弱用户采用全双工技术向窃听者发送干扰信号,提高了通信链路的安全性和用户的服务质量。合法接收端采用连续干扰消除(SIC)技术,以解码来自叠加信号的各个消息。在已知窃听信道统计信道状态信息(CSI)的情况下,分别推导了2个用户的安全中断概率和中断概率的闭合表达式,并通过Monte-Carlo仿真验证。理论分析和数值模拟结果均表明所提出的NOMA用户合作方案在保密率方面优于非合作方案的性能。     

窃听多天线的多用户调度安全性能分析

物理层安全作为一种密钥缺省的安全方案,逐渐成为信息安全和无线通信两个领域的交叉热点,其主要利用物理层传输资源保证合法接收者正常通信,同时抑制窃听信道通信。针对这一特点,提出了基于无线通信网络中窃听用户多天线、发送端多用户调度,合法接收端选择最好用户的模型,这时窃听用户进行随机选择,分析这种情况下主信道信噪比、窃听信道信噪比、安全传输速率以及窃听用户天线数目对系统安全性能的影响。仿真结果表明,窃听信道多天线时中断概率增加,即降低了系统的安全性能,但增加发送端用户数目、降低窃听信道信噪比、增加主信道信噪比可以显著提高系统的安全速率。同时证明,这种方案同随机选择发送用户相比较,切实提高了系统的安全性能。     

窃听信道相关条件下最大比传输技术安全分析

在无线通信系统的实际传输中,当窃听用户距离合法接受者足够近,或者位于合法接收机信号的无线电波路径上时,就会出现主信道与窃听信道相关的场景。为此我们考虑一个多输入单输出,并且存在单天线被动窃听者的无线通信系统,研究了当基站采用最大比技术发射技术发送信号时,相关对系统性能的影响。推导了安全中断概率与平均安全容量的闭合表达式。数值仿真结果表明:（1）当主信道的信道质量高于窃听信道时,较低的相关对系统安全中断概率性能影响不大,然而强相关却能够带来更低的安全中断概率;（2）该相关对系统平均安全容量始终是有害的,且随着相关程度的增强,最大比发射技术相对于天线选择的优势逐渐变小。