时间反演系统中抗多窃听者的物理层安全吞吐量优化方案

针对时间反演系统中多个窃听者随机分布的物理层安全传输问题,提出一种安全吞吐量优化方案,该方案基于人工噪声辅助时间反演的MISO传输。首先,利用随机几何理论推导连接中断概率和安全中断概率的闭合表达式分别表征系统的可靠性和安全性;然后,综合考虑系统的可靠性和安全性,提出最大化安全吞吐量的优化方案;最后,仿真结果表明所提方案与其他方案相比提高了系统的安全吞吐量。      

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。     

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。      

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。      

基于NOMA场景的多用户调度物理层安全性能分析

针对NOMA系统传输模型,提出了基于NOMA通信场景下的多用户调度策略,对非窃听中继和窃听中继2种场景分别进行研究分析,推导计算出2种场景下OMA与NOMA系统安全中断概率数学闭合表达式,并进行对比分析。分析和仿真结果表明通过增加主信道信噪比(SNR)和发送用户数目可以有效提高系统安全性能,分析表明同等情况下基于NOMA系统的安全中断概率总是低于OMA系统,并且这种优势随着主信道SNR的增加、窃听信道SNR的减小而更加显著。     

无线自组织网络的联合安全路由选择和功率优化算法

针对无线自组织网络在窃听环境中的安全传输问题,该文提出了一种无线多跳自组织网络的联合安全路由和功率优化算法。首先,在窃听者服从泊松簇过程(PCP)这一假设下推导得到了系统安全中断概率(SOP)和连接中断概率(COP)的表达式;然后以安全中断概率约束下的连接中断概率最小为准则,针对给定路径推导得到了源与各跳中继的最优传输功率,并进一步获得了源与目的节点间的最优路由。仿真结果表明,该文所提系统安全中断概率和连接中断概率的表达式与蒙特卡洛仿真结果相符,所提算法可获得与穷举搜索方法接近的安全性能,显著优于传统方法。     

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。      

窃听者随机分布SWIPT-NOMA系统的物理层安全

非正交多址接入（non-orthogonalmultipleaccess,NOMA）与无线携能通信（simultaneouswireless information and power transfer,SWIPT）技术的组合可提高无线系统的频谱效率，并能够解决用户节点的电能供应问题。然而，当能量收集器要恶意窃听基站发送的机密信息时，SWIPT-NOMA系统的信息安全传输会受到威胁，为增强其物理层安全（physical layer security,PLS）性能，提出了一种采用发射天线选择和功率分割策略的SWIPT-NOMA系统PLS模型。如果各能量收集器的空间位置随机分布服从泊松点过程，利用空间泊松分布生成函数推导SWIPT-NOMA系统的安全中断概率和非零安全容量概率近似表达式。数值计算与仿真结果表明，所推导的表达式具有很高的准确性，且可用于研究窃听者密度、基站与远近端信息接收者之间的距离、基站发射天线数以及功率分割因子等参数对SWIPT-NOMA系统PLS性能的影响。     

异构携能通信网络中基于人工噪声辅助的鲁棒安全传输方案

异构携能通信网络中信道状态信息不准确时,为保证信息、能量传输的安全性与可靠性,该文提出一种基于人工噪声辅助的鲁棒安全传输方案。通过联合设计宏基站、微基站的下行信息波束及人工噪声矩阵,干扰窃听者,同时提升系统能量接收性能。在基站的发送功率约束、合法用户的信息接收及能量接收中断约束和窃听者的窃听信息中断约束下,以最大化系统能量接收性能为目标进行建模。针对该问题的非凸性,首先将其等效转化为一种易于处理的形式;而后进一步利用Berstein-type不等式处理其中的中断概率约束,将其转化为凸的问题进行求解。仿真结果验证了该方案的安全性和鲁棒性。     

非理想干扰删除下全双工中继NOMA系统的物理层安全性能研究

全双工协作中继转发信号时存在的自干扰现象会降低系统性能.本文考虑存在窃听者的下行非理想自干扰全双工协作中继非正交多址接入（NFCR-E-NOMA,Non-ideal Full Duplex Cooperative Relay in Non-Orthogonal Multiple Access system with Eavesdropper）系统,分别从系统中断概率和系统截获概率的角度分析了全双工协作中继的自干扰因素对于NFCR-E-NOMA系统安全中断性能的影响;推导了系统中断概率和截获概率的闭合表达式.仿真结果表明,全双工中继转发的自干扰因素对系统性能的影响较大,在NFCR-E-NOMA系统中,存在优化的中继转发功率,且在不同的基站发射功率和中继转发功率条件下,功率分配比对系统性能的影响也不同,在实际主链路信道条件允许的情况下,可通过设置较高的数据传输速率来抑制窃听者的截获概率.     

AN-aided full-duplex secure transmissions under imperfect self-interference cancellation

This paper considers a full-duplex (FD) secure transmission scheme with aid of the artificial noise deployed at both transmitter and receiver under imperfect self-interference cancellation. The expressions of secrecy and connection outage probabilities are derived, and hence, the secrecy throughput of the proposed scheme is evaluated. The results show that the performance of the proposed FD scheme outperforms that of conventional half-duplex and FD receiver schemes in terms of the secrecy outage probability. In addition, the proposed FD scheme can achieve high secrecy throughput under various locations of the eavesdropper. Especially when the eavesdropper is located close to the transmitter, the secrecy throughput of the proposed FD scheme is nearly double that of the half-duplex scheme with artificial noise injection while that of the scheme with FD jamming receiver goes to zero.     

Underlay协同频谱共享系统中基于SDF-DZFB的物理层安全传输

协同中继传输不仅能改善认知用户的传输可靠性,而且也能增强认知用户物理层安全性。针对Underlay模式下多中继协同频谱共享认知无线网络,本文设计了基于选择译码转发和分布式迫零波束成形（SDF-DZFB）的物理层安全传输方案,其中,假设存在单个被动窃听节点窃听中继节点的发送信号,在认知用户发送端同时考虑峰值干扰温度约束和最大发射功率约束,中继和认知用户目的端都受到主用户干扰。在此情况下,分析了认知用户发送端分别到目的端（称为主链路）和到窃听节点（称为窃听链路）的等效信干噪比的统计特性,进而推导出系统安全中断概率性能的闭式表达式。为了揭示所提物理层安全传输方案的安全分集度性能,本文进一步分析了高信噪比条件下安全中断概率的渐近表达式。计算机仿真验证了本文的理论分析结果。      

Physical layer security for dual‐hop FSO/RF system using generalized ΓΓ/η−μ fading channels

We investigate the physical layer security of decode‐and‐forward–relayed free space optics (FSO)/radio frequency (RF) communication system. In this network, the eavesdropper exists after relay node and overhears RF transmission. Further, FSO being a line‐of‐sight transmission is assumed to be secure from eavesdroppers. Here, we have the Gamma‐Gamma (ΓΓ) distribution for FSO link and generalized η?μ distribution for RF link. The security for information transmission to the legitimate user in the presence of an eavesdropper is measured in terms of secrecy capacity and secrecy outage probability. Deriving the probability density function and cumulative distribution function of end‐to‐end signal‐to‐noise ratio, the closed‐form expressions for security parameters are achieved. The numerical analysis of the proposed system is done under the influence of atmospheric turbulence effects and various fading conditions. The results have been verified through simulation.     

非理想信道下基于人工噪声的密集异构蜂窝网安全传输方案

针对密集异构蜂窝网在非理想信道状态信息条件下的安全传输问题,该文分析了人工噪声对通信的可靠性和安全性的影响,在此基础上提出功率分配优化模型,在不同信道估计精度条件下给出了最优的功率分配因子。首先,考虑信道估计误差对合法信号传输以及人工噪声泄露的影响,推导了典型通信链路的连通中断概率和安全中断概率。然后,在安全性和可靠性约束条件下建立功率分配优化模型以最大化系统安全吞吐量,并通过K维联合搜索算法得到每层网络的最优功率分配因子。最后,仿真结果表明系统设置最优功率分配因子时,人工噪声方案可提升约15%的安全吞吐量。     

Opportunistic Selection for Decode-and-Forward Cooperative Networks with Secure Probabilistic Constraints

This work presents theoretical analysis on security performance for relay selections based on either statistical or instantaneous channel state information (CSI) of the eavesdropper (CSI-E) channels in a decode-and-forward relaying network. By considering security constraints, we have derived exact expressions for the average secrecy rate and the secrecy outage probability. Moreover, analytical expressions of the false secrecy probability are derived for the suboptimal relay selection based on statistical CSI-E, which are used as the constrained functions of new selection metrics. Furthermore, our work achieves a better tradeoff between the outage probability and the false secrecy probability. The accuracy of our performance analysis is verified by simulation results.     

基于信道相关性的物理层安全性能分析

针对物理层安全研究中主窃信道具有相关性的场景,研究了主窃信道间的相关性对系统安全性能产生的影响,推导得到了遍历保密容量及中断概率的精确计算式,以及主窃信道的信道状态差异较大和较小这2种场景下的渐近计算式,并通过仿真验证了理论分析的正确性.研究结果表明,信道相关性会造成遍历保密容量的损失,但信道相关性强并不一定表明通信中...     

Secrecy performance analysis on cooperative CR-NOMA network

In order to improve the secrecy performance of communication system and make efficient use of limited spectrum,overlay cognitive radio (OCR) technology was combined with non-orthogonal multiple access (NOMA) technology and the communication model was proposed,in which secondary network realized dynamic switching between assisting primary network communication and secondary network communication by sensing whether the primary user occupied the spectrum or not.Artificial noise (AN) aided technology was used in primary and secondary networks respectively to further improve the secrecy performance of the system.The secrecy performance of the system was studied by deducing the expressions of the primary and secondary network secrecy outage probability and secrecy throughput respectively.The simulation results show that the proposed cognitive cooperative NOMA communication scheme is beneficial in reducing secrecy outage probability and increasing secrecy throughput.Furthermore,the influence of AN power allocation factor on system performance is given.     

Secrecy Trade-off at the Physical Layer over Mixed Fading Multicast Channels Employing Antenna Diversity

This paper deals with the secrecy performance analysis of a multicast network over mixed fading scenarios in which a cluster of passive eavesdroppers is trying to overhear the secret transmission. Our key contribution is to prevent this malicious attack of the illegitimate receivers. Rayleigh/ Rician mixed fading channels are considered to model alternately the multicast/ eavesdropper and eavesdropper/ multicast channels as such mixed fading scenarios are often encountered in cellular communication where only one link (either multicast or eavesdropper) undergo a line-of-sight propagation path. At first, we derive the probability density functions for the single-input-multiple-output multicast scenarios and then the secrecy analysis is carried out by obtaining closed-form expressions for the performance matrices such as the probability of non-zero secrecy multicast capacity, ergodic secrecy multicast capacity, and secure outage probability for multicasting. The derived expressions are beneficial to investigate how the antenna diversity can combat the detrimental impact of fading as well as the number of multicast users and eavesdroppers, and improve the secrecy level to the acceptable limit. Moreover, the best secure scenario in terms of the secrecy parameters is obtained when the multicast channels undergo Rician fading whereas the eavesdropper channels experience Rayleigh fading. Finally, the analytical expressions are justified via the Monte-Carlo simulations.

     

NOMA-D2D协作无线系统的物理层安全

针对未来海量用户设备接入的物理层安全（physical layer security，PLS）应用需求，提出了一种组合非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）、终端直通（device-to-device，D2D）与中继协作的NOMA-D2D协作无线系统PLS模型。该模型由采用发射天线选择（transmit antenna selection，TAS）的基站、分别作为基站和D2D发射端的NOMA远端蜂窝用户、D2D接收端以及被动窃听者组成，其中的D2D发射端承担基站的 NOMA 近端用户和解码转发中继两种角色。利用高斯—切比雪夫正交定理推导两种 TAS 方案下NOMA-D2D协作无线系统的安全中断概率、非零安全容量概率以及渐近安全中断概率的近似表达式。数值计算和仿真实验验证了NOMA-D2D协作无线系统PLS性能分析的准确性；在基站总功率恒定时增大分配给远端蜂窝用户的功率能有效提升NOMA-D2D协作无线系统的PLS性能。     

基于协作干扰的全双工中继系统混合安全传输协议

针对全双工中继系统的安全问题,提出一种基于协作干扰的物理层安全混合传输协议.系统根据自身信道状态信息,自适应地选择基于中继节点与信源节点轮流发送干扰(RSCJ)协议或基于中继节点与目的节点轮流发送干扰(RDCJ)协议中安全容量相对较高的协议进行信息的传输.在全双工节点自干扰因素被抑制的条件下,给出了系统的传输协议选择策略,并理论推导了采用RSCJ或RDCJ传输协议下系统的安全中断概率表达式.仿真结果表明,利用所提的混合安全传输协议可以显著提高全双工中继系统的安全中断性能,与传统未利用协作干扰的传输机制相比,具有明显的安全性能优势.