基于人工噪声的多用户MIMO系统加密算法

当多用户MIMO系统中的用户数多于或等于发射端天线数时,现有的基于人工噪声的物理层加密算法会导致合法用户无法正常接收。为提高此时的多用户MIMO系统的安全性,该文提出一种新的基于人工噪声的多用户MIMO系统加密算法。首先,发送端对多个合法用户进行联合处理,建立多用户联合信道状态矩阵;然后,将联合信道状态矩阵进行奇异值分解,并根据最小的奇异值进行预编码,以消除人工噪声对合法用户的影响;最后,提出一种优化功率分配的方案。仿真结果表明,该算法将多用户MIMO系统的保密容量平均增加了0.1 bit/(s?Hz),从而提高多用户MIMO系统的安全性。     

大规模MIMO中继系统中多用户物理层安全传输方案

研究大规模多输入多输出中继网络中的多用户物理层安全传输方案.系统模型中假设窃听节点与源节点和中继节点间都有直接链路,窃听节点可以接收到源节点和中继发送的信号.在不能获得窃听者信道状态信息的情况下,大规模MIMO中继采用简单的最大比合并/最大比发射信号处理方案,并配合中继零空间人工噪声和目的端的协作干扰实现多用户的信息安全传输.对保密速率及其在中继天线数无限增长时的渐近值进行了理论分析,并进行仿真.仿真结果显示系统的保密和速率随中继天线数的增长而增长,最终趋于理论渐近上界值.仿真结果也表明即使窃听节点具有多用户间干扰消除能力,并能同时拦截源节点和中继发送的信号,采用本文的方案仍然能获得可观保密速率.     

人工噪声辅助安全传输中的反馈比特数研究人工噪声辅助安全传输中的反馈比特数研究

本文主要研究了人工噪声辅助的多输入单输出（Multiple-input Single-output, MISO）物理层安全传输系统中的最小反馈比特数问题。论文对信道方向信息采用基于随机矢量量化（Random Vector Quantization, RVQ）的码本反馈方法,首先定量分析了RVQ量化导致的系统保密速率损失,充分考虑不同发送信噪比条件与量化误差的特点,推导出了所需最小反馈比特数的闭合表达式。分析表明为保持恒定的遍历保密容量损失,反馈比特数应随对数信噪比及(Nt-1)线性变化（Nt为发送天线数）。理论分析和仿真结果表明,依据本文得到的闭合表达式调整反馈比特数,可以满足系统的安全性能要求。现有研究没有考虑信噪比较低的情况,而本文的结论适用于各种信噪比情况,对于人工噪声辅助的物理层安全传输策略实用化具有指导意义。      

有限字符输入的空间调制物理层安全传输方法

针对有限字符输入系统的无线物理层安全传输问题,提出了一种空间调制安全传输方法。该方法以信息论为基础,利用多输入多输出(MIMO,multiple-input multiple-output)系统的接收天线索引承载信息,通过切换接收天线随机化窃听者的等效信道,保证物理层安全传输。首先分析了该空间调制传输系统中合法用户和窃听者的不同接收性能。然后计算出安全传输系统的保密互信息,指出获取正的保密互信息的2个充分条件。最后给出信道互信息的估计算法,并利用有限字符集的对称性进一步降低了计算复杂度。理论分析和数据仿真验证了该安全传输方法的可行性和有效性。     

一种基于多载波的多播系统物理层安全方案

受限于发送方天线数目,无线多播系统整体信道通常不存在零空间,无法利用传统的物理层安全技术保证其安全传输。针对这一问题,该文提出一种基于多载波的多播系统物理层安全方案。首先,建立了多载波多播系统物理层安全通信模型;之后,通过分配载波产生合法用户的信道零空间,在零空间内引入人工噪声保证系统的安全传输;最后,以最大化保密传输速率为目标,在系统总功率受限情况下,利用Kuhn-Tucher条件对各子载波功率进行了优化。仿真结果表明:该方案不受限于发送方天线数目,并且所提功率分配方法的系统保密传输速率比等功率分配方法提升约2 bit/(s Hz)。     

有限字符输入系统的物理层安全传输条件

针对无线数字通信系统中人工噪声方法可被多天线窃听者破解的问题,该文提出有限字符输入下物理层安全传输的一个充分条件,并以此为指导设计了一种类符号人工噪声方法。分析表明,人工噪声方法下,有限字符输入信号和窃听者无噪接收信号之间的等效信道是一个离散有噪无损信道(Discrete Noisy Lossless Channel, DNLC)。由于DNLC输入信号的可逆性为窃密提供了必要条件,窃听者通过增加天线可使窃听信道容量达到合法用户的信道容量上限,致使系统的保密互信息为零,因此破坏输入信号的可逆性是有限字符输入下物理层安全传输的一个充分条件。类符号人工噪声方法满足这一充分条件,可以保证物理层安全传输,仿真结果也表明了该方法的有效性。     

增强物理层安全的联合发射天线选择和人工噪声技术

针对未来多天线通信系统的安全问题,提出了一种增强无线物理层安全的传输策略。该策略基于发射天线的选择以及人工噪声,并采用Alamouti编码。它可以使发射机和接收机以较低的复杂度代价提高合法信道的分集增益,同时有效干扰窃听信道,使通信系统获得更高的安全容量。对系统安全容量、天线数量、以及信息信号与人工噪声之间的功率分配等问题进行了研究,仿真结果表明,该传输策略能够有效地增强物理层安全。      

MIMO广播信道中联合多用户速率和延迟约束调度的研究

该文给出了一种多入多出高斯广播信道中具有延迟约束的多用户无线数据包的传输方案。首先,在信道的QR分解及脏纸编码基础上,通过贪婪算法获取多用户分集与包延迟约束之间的有效结合。其次,将包到达速率、可达服务速率、用户数以及传输天线数构成一优化问题,得到最佳的用户组合及调度周期。最后,在不同用户数及发射天线数情况下对该方案进行了性能仿真,仿真结果表明:在满足包传递最小延迟等待要求的同时,得到了传输容量的最大化。     

一种基于分布式发射天线的差分空时调制方法

在基于分布式发射天线的多入多出(MIMO)系统中,由于各发射天线的发射信号不同时到达接收端,用于信道估计的导引设计及发射方法存在一定困难。针对这一问题,该文提出一种无需信道估计的分布式MIMO差分编码及检测方法:发送端将发射矩阵进行相位差分调制后发射,接收端利用前后接收量判断相位信息恢复出发送端数据信息。该方法频谱效率与V-BLAST相同,适用于任意发射天线数和接收天线数,且不要求接收天线数大于发射天线数。仿真结果表明,在不同信道传播时延情况下,误码率性能不同。     

一种基于分布式发射天线的差分空时调制方法

在基于分布式发射天线的多入多出（MIMO）系统中,由于各发射天线的发射信号不同时到达接收端,用于信道估计的导引设计及发射方法存在一定困难。针对这一问题,该文提出一种无需信道估计的分布式MIMO差分编码及检测方法：发送端将发射矩阵进行相位差分调制后发射,接收端利用前后接收量判断相位信息恢复出发送端数据信息。该方法频谱效率与V—BLAST相同,适用于任意发射天线数和接收天线数,且不要求接收天线数大于发射天线数。仿真结果表明,在不同信道传播时延情况下,误码率性能不同。     

Nakagami信道下MIMO解码转发中继系统的安全性能分析

在协同自适应解码转发中继系统中,该文针对Nakagami-m衰落信道,研究了基于多天线低复杂度的机会式传输策略的物理层安全性能。为充分利用天线分集增益提升系统安全性能,发送节点均采用发送天线选择策略,接收节点均采用最大比合并策略。推导了系统安全中断概率的闭合表达式,并进一步提供了渐近性能分析,得到了系统的安全分集阶数。仿真结果验证了理论分析的正确性,并揭示了各系统参数对机会式传输方案的安全性能的影响。结果表明,通过增加合法节点的天线数和增大合法信道的Nakagami衰落信道参数可显著提升系统安全性能。     

多跳协同中继网络下物理层安全传输方案

针对多跳中继传输系统的信息安全传输问题,提出了一种基于全双工模式下多节点协作干扰(FD-MCJ)的物理层安全传输方案。该方案利用通信网络中的中继节点发送干扰信号恶化窃听节点的接收性能,同时中继节点根据信道状态信息(Channel State Information, CSI)自适应的选择两种情况下的安全传输方案。本文首先利用泊松点过程对窃听节点位置进行安全建模;然后,根据CSI可用程度,给出不同的安全传输具体方案,在考虑系统的跳数、天线间自干扰以及发射功率和干扰功率等因素下,推导FD-MCJ方案下系统保密中断概率的闭式解;最后,数值分析和蒙特卡洛仿真表明,理论推导的正确性以及多跳中继系统中采用全双工多节点协作干扰方案能够有效提升系统安全性能。      

时间反转多用户系统中保密和速率优化的预处理滤波器设计

利用无线信道的特征通过物理层技术实现信息的安全传输是保密通信的一种方式。时间反转传输特有的时空聚焦特性使其具有天然的抗干扰和抗窃听能力,在单发射天线条件下也能获得较好的保密传输性能。该文研究两用户时间反转下行多址安全传输系统中,发送滤波器脉冲响应的优化问题。根据互惠原则将两个发送滤波器的联合优化问题转换为各滤波器的独立优化问题,进一步将其转换为寻找最大特征值及其对应的特征向量的问题,并通过迭代算法进行求解。仿真结果表明,针对保密和速率优化预处理滤波器后,系统的可达保密速率明显优于采用常规时间反转预处理滤波器时的系统和直接传输系统。     

A physical layer security scheme for full-duplex communication systems with residual self-interference and non-eavesdropping CSI

We discuss the physical layer security scheme in the Full-Duplex (FD) MIMO point-to-point two-way communication system with residual self-interference, in which legitimate nodes send confidential information and null space Artificial Noise (AN) while receiving information. Because the Channel State Information (CSI) of the eavesdropper is unavailable, we optimize the covariance matrices of the information signal as well as the allocation of the antenna for transmitting and receiving to minimize the signal power consumption under the target rate constraint. As a result, the power of AN is maximized within the limit of total power, so the interception capability of the eavesdropper is suppressed as much as possible. Since self-interference cannot be completely eliminated, the optimization process of one legitimate node depends on the optimization result of the other. By substituting self-interference power in the secrecy rate formula with its average value, the joint optimization process at the two nodes is transformed into two separate and solvable optimization processes. Then, the Water-Filling Algorithm (WFA) and bisection algorithm are used to get the optimal covariance matrices of the signal. Furthermore, we derive the theoretical lower bound of ergodic achievable secrecy rate under rayleigh channels to evaluate the performance of the scheme. The simulation results show that the theoretical derivation is correct, and the actual achievable rate is very close to the target rate, which means that the approximation in the optimization is feasible. The results also show that secrecy transmission can be realized because a considerable secrecy rate can be achieved.     

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。