中继直达联合影响下多用户AF协作网络的安全通信

针对多用户放大转发(Amplify-and-Forward,AF)协作网络,网络的窃听节点监听到目标传输信号,给系统的信息安全带来严重的隐患.尤其在直达链路存在的情况下,窃听节点可以通过直达与中继链路窃听信息.为了提升网络的安全性能,本文提出了一种最优中继和用户选择标准,选择最佳的中继与用户节点进行通信.为了分析系统的安全性能,本文给出了网络保密中断概率闭式表达式和高主窃比(Main-to-Eavesdropper Ratio,MER)下的渐进表达式.从渐进表达可以看出,系统的分集增益等于目标用户数,而与中继数和窃听用户数无关.仿真结果表明,所给出的闭式表达式与仿真结果相符,验证了研究的精确性.     

双向中继信道中用户和中继协作干扰管理算法

针对目前提出的大部分双向中继信道中干扰对齐算法得到的结果通常不是系统全局最优解的问题,通过用户协作和中继协作设计预编码矩阵实现干扰对齐算法,优化整个系统的总速率性能.此外,分别通过用户和中继协作功率控制将干扰当作噪声处理,实现双向中继信道中的干扰管理.仿真结果表明:用户协作和中继协作干扰管理算法的系统整体性能都较好,当中继节点发送功率较大时,用户协作模式系统的总速率性能优于中继协作模式的.     

基于实干扰对齐技术的两用户中继辅助信道的安全自由度分析

中继辅助信道是无线通信中的一种重要信道模型?针对源端与目的端有直接链路的两用户中继辅助干扰信道模型,2个合法发送端分别将保密信息通过中继发送给对应的期望接收端,而不希望被非期望接收端窃听到保密信息?结合实干扰对齐技术和协作干扰技术,从保密速率和安全自由度(secure degrees of freedom,S-DOF)2个指标来研究该模型的安全性能,使接收端能分离出期望信号,而非期望信号与协作干扰信号在接收端完美对齐?该方案中,中继采用放大转发的方式,同时发送一个协作干扰信号?然后设计实干扰对齐方案,分析得出系统的总安全自由度为1?     

窃听环境下多源无线协作网络的中继选择与功率分配方案

现有的窃听环境研究大多是针对单源场景,仅考虑一条链路的安全效益,而在多源场景下若只考虑一条链路的性能就会损害其他链路的性能,从而降低整个系统的性能。因此,针对窃听环境下的多源无线协作网络模型,研究了一种中继选择策略与源节点和中继节点的功率分配相结合的方案,提升系统的整体安全性能。仿真结果表明,中继选择和功率分配相结合的方案与传统方式相比,安全中断概率性能可以提高2 dB左右。     

多窃听下NOMA网络的保密性分析

非正交多址接入(NOMA)技术系统模型中窃听者的存在会导致传输质量下降甚至保密中断，这将严重威胁信息传输的安全，影响系统整体性能。研究了多窃听下一种协作NOMA技术支持解码转发(DF)中继网络的保密性，性能指标为保密率，并对遍历保密性能进行解析近似。提出了一种基于差分进化算法的功率分配方法，找出NOMA网络用户的最优功率分配因子。通过采用不同的干扰方案，如无干扰、干扰和有控制干扰，验证了NOMA网络用户的保密率。仿真结果表明，有控制干扰方案优于无干扰和干扰方案，在协作和非协作窃听条件下，所提的功率分配方法的性能优于固定功率分配方法。     

单窃听双跳协作网络的中继选择方案及其性能分析

研究了安全通信意义下,单向译码转发（decode-and-forward,DF）协作无线网络的中继选择问题。针对窃听者既能获得信源发出的信号,又能窃取中继节点转发数据的通信系统,提出了3种中继选择方案来对抗窃听者,增强系统物理层安全性。其中,方案一选择到窃听者信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）最小的中继节点;方案二为最大最小（max-min）选择方案,即选择信源到中继节点和中继节点到信宿的较差信噪比中最大值所对应的中继节点;方案三根据窃听信道和主信道的瞬时信道状态信息（channel state information,CSI）选择使得窃听网络有最大保密容量的中继节点。在对各方案的性能分析过程中,得到了各中继选择方案拦截概率的闭式表示,进一步对拦截概率作渐近分析,获得了各中继选择方案的分集阶数。具体地,方案一的分集阶数为1,另外2个中继选择方案的分集阶数均为中继节点个数M。数值结果验证了理论分析得到的结论。     

基于人工噪声和SWIET的安全双向中继通信

针对基于解码转发的对称双向中继网络的安全传输问题,提出一种基于人工噪声干扰和信息、能量同时传输技术(SWIET)的物理层安全传输策略.系统采用两时隙传输方案,能量收集节点利用第一时隙收集的能量发射人工噪声干扰,而用户节点和中继分别通过功率分配技术将目的节点先验已知的人工噪声干扰添加到有用信息中,以降低窃听信道的传输质量.建立双向中继网络窃听信道下联合能量收集和无能量收集节点的两种数学模型,推导基于人工噪声干扰的系统保密容量的数学表达式,分别求解两种模型的最大化系统保密容量下最优功率分配因子,并分析了SWIET技术对系统保密容量的增益.仿真结果表明:对应于不同的窃听节点位置,所提出的联合SWIET技术的方案能使双向中继网络保密性能改善3%~90%,且能量收集节点越靠近窃听节点,系统性能越好.     

基于压缩感知的协作系统物理层安全分析

将压缩感知技术引入协作通信系统中研究其物理层安全问题.在多源多中继协作通信系统中,将源节点通过中继节点到目的节点,源节点到窃听节点的信道矩阵作为压缩感知的测量矩阵,目的节点和窃听节点可以采用信号重构算法进行重构.通过系统仿真证明,窃听节点存在对信道估计存在误差,合法目的节点的重构性能优于窃听节点,可以达到安全传输.     

无线传感器网络中协作干扰噪声策略研究

针对WSNs中节点间通信易受窃听的问题,提出了两种提高节点间可达安全速率的协作干扰噪声策略:零空间策略和最优噪声策略.零空间策略利用协作干扰节点到目的节点信道的零空间发送噪声,因而噪声只会干扰窃听节点而不影响目的节点.最优噪声策略利用协作干扰节点到目的节点和窃听节点的信道状态信息,通过优化噪声输入协方差矩阵最大化节点间的可达安全速率.然而,可达安全速率的最大化是一个很难直接求解的非凸优化问题,为解决此问题,本文设计了最优可达安全速率计算的一维搜索算法.仿真结果表明,提出的两种协作干扰噪声策略都可以显著提高WSNs中节点间的可达安全速率.     

干扰受限的增量型机会中继选择协作通信

协作通信让用户以协作的方式传输信息,是下一代无线通信系统为提升频谱效率所采用的关键技术之一。实际无线通信中的期望信号除了受到信道衰落和噪声的影响外,还可能受到来自其他用户同频信号的共道干扰。随着用户数的增加,大量的共道干扰就会取代噪声成为影响无线通信质量的主要因素,称为干扰受限。提出全网总功率约束条件下的增量型解码转发机会中继选择协作通信策略,并研究该策略在Nakagami/I.I.D.Nakagami信道衰落和干扰受限环境下的协作通信性能。理论分析和仿真结果表明,该协作策略能够在Nakagami/I.I.D.Nakagami信道衰落和干扰受限环境中有效抵抗信道衰落和共道干扰,实现协作分集增益。当源节点和中继节点的功率可以灵活调整时,合理的功率分配可以进一步提升协作通信性能。     

CR-NOMA双向中继自干扰能量回收传输方法

针对单向中继自干扰能量收集的认知无线电系统中,窃听用户的接入概率增加,从而影响次用户物理层安全性能的问题,在认知无线电非正交多址接入系统中通过双向中继辅助次用户传输,同时在中继能量捕获受限等约束条件下,最大化弱用户物理层安全速率.由于优化问题为复杂的非凸问题,因此根据半定松弛理论将其转化为凸问题,并通过迭代算法对信号协方差矩阵、中继发送和接收的功率分配因子进行联合优化,进而得到弱用户物理层安全速率的全局最优解.仿真结果表明:与单向中继自干扰能量收集相比,在保证中继节点收集能量和强用户安全传输条件下,弱用户物理层安全速率提高了15.4%.     

信息和能量同传全双工中继信道的物理层安全方案

给出一种信息和能量同传中继无线信道中的物理层抗窃听安全传输方案。中继工作于全双工模式,采用放大转发方式转发信号,同时采用信息和能量同传模式从所接收到的射频信号中收集能量,并用于信号的转发。目的节点也为全双工节点,在接收信息的同时发送人工噪声去干扰窃听节点的接收。以最大化系统的保密速率为目标,对中继采用功率分裂方式和时间切换方式时的功率分裂因子、能量收集时间比例因子和信号与人工噪声功率分配因子进行优化。由于无法得到关于最优参数的表达式,因此,采用二维搜索方法来对优化问题进行求解。仿真结果表明,功率分裂因子、能量收集时间比例因子、信号与人工噪声功率分配因子的优化和目的端的协作干扰能显著提高系统的性能。     

基于功率分配协作干扰的无线信息与能量安全协同传输方法

为了提高信息与能量协同传输系统的安全传输性能,提出一种基于功率分配协作干扰的无线信息与能量安全协同传输方法.该方法中包含一个信息发送端和信息接收端以及一个能量接收器和干扰器.由于能量接收器离信息发送端较近,很容易窃听信息发送端的信息.在接收到来自信息发送端的信息后,能量接收器利用一部分接收到的功率进行能量接收,利用另外一部分功率进行信息解码,窃听信息发送端的信息.为了保证信息发送端到接收端信息的安全传输,干扰器使用其中一根天线对来自信息发送端的信号进行能量接收,利用接收到的能量使用另一根天线发射干扰信号,对能量接收器进行信息干扰.研究该方法中如何对功率进行分配,保证能量接收器收到的能量达到要求的条件下最大化信息接收端的保密信息速率.仿真结果表明,该方法能有效提高信息与能量协同传输系统的安全性能.     

喷泉中继传输网络中基于信道信息和剩余能量的中继选择算法

协作中继传输是无中心节点的无线网络中一种重要的传输方式,中继选择是中继传输中的一个重要问题。采用数字喷泉码的协作中继传输中的中继选择算法,给出了一种中继选择算法。该算法不仅考虑协作中继系统各条链路的信道状态信息,而且考虑中继当前的剩余能量信息。根据源节点到中继及中继到目的节点的信道信息选择出一组中继,再在这组中继中根据剩余能量的顺序,选择出所需要的中继节点。通过对源节点至目的节点总的传输时间和能量消耗的分析和仿真,以及不同门限值及中继节点数对系统性能影响的仿真。结果表明,与只考虑信道状态信息的中继选择算法相比,采用该算法可明显改善网络寿命。     

基于智能反射表面的中继协作安全通信技术

在传统中继协作的通信过程中,中继节点在对信号处理时,会放大中继节点自身的干扰信号。此外,现实通信场景中往往存在窃听节点窃取重要信息。智能反射表面具备无源反射特性,能对信号的相位进行调整,以及在处理信号时能减少干扰信号的产生。针对中继节点增大干扰信号和安全传输问题,提出了基于智能反射表面的中继协作安全传输技术。考虑通信场景中存在恶意窃听节点,且窃听链路与合法链路的相关性较高的情况下,通过部署智能反射表面将基站发送的信号反射给合法用户,提高系统的安全通信质量。为了解决保密速率表达式的非凸性,采用交替优化、黎曼共轭梯度下降的算法对波束形成向量及反射相位进行交替优化。最后,通过仿真结果验证在3 GHz高频段载波下,基于智能反射表面协作通信技术在数据传输、能效、安全方面的作用优于传统中继协作通信方法。     

联合干扰功率限制下的认知中继网络性能分析

频谱共享的Underlay认知中继网络中,为了保证主用户的可靠通信,要求次用户网络中源节点及中继节点的发射功率必须满足主用户接收端干扰功率的限制。基于主用户峰值干扰功率和平均干扰功率的联合限制,分析了中继节点采用选择协作解码转发协议时潜伏式频谱共享认知中继网络的性能。值得一提的是,考虑中继传输中由主用户接收端干扰功率限制引起的第1跳链路信噪比之间的相关性,推导了瑞利衰落环境下次用户中断概率和信道容量准确的闭合表达式。仿真结论显示,次用户中断概率与信道容量的解析曲线与仿真结果一致,系统性能因频谱共享的认知网络中次用户源节点与主用户接收机链路之间的相关性而有所下降,中断概率约有2dB的性能提升。     

大规模MIMO多用户双向中继系统的物理层安全性能分析

对大规模多输入多输出(multiple input and multiple out,MIMO)多用户双向中继网络的物理层安全性能进行分析。系统模型中假设窃听节点可以获取第一跳用户发送信号和第二跳中继发送信号,分析大规模MIMO中继采用最大比合并和最大比传输信号处理时的系统保密速率,进一步推导出中继天线数趋于无穷时的系统渐近保密速率表达式,并进行仿真验证。理论分析和仿真结果显示,即使在不采用专门的物理层安全技术时,大规模MIMO双向中继系统也能获得可观的保密速率。证明即使当窃听节点具备多用户干扰消除能力时,通过设置合理的用户和中继发送信号功率,大规模MIMO双向中继系统仍然具有较好的物理层安全性能。     

无线协作网络中存在干扰时的中继选择协议

针对无线协作网络中共道干扰影响中继选择的问题,提出一种存在干扰的中继选择协议(RSI).该协议以最小化系统中断概率为目标,选择具有最大瞬时端到端信干比的中继节点转发源节点信息,并且在考虑直接传输时,目的节点采用选择合并策略合并直接传输和中继传输,从而充分利用空间分集增益,降低了系统的中断概率.RSI协议不需要中继节点之间交互信息,通过竞争的方式完成数据传输,节省了系统开销,具有较好的实用性.仿真结果表明,在瑞利信道中,当中继节点个数为4、中断概率为10-2时,与最大最小中继选择协议相比,RSI协议能够取得约3~4 dB的信噪比增益.     

基于干扰感知的双路径译码转发中继选择算法

双路径中继协议(two-path relaying,TPR)可以很大程度改善由于中继半双工产生的频谱效率损失,然而双路径中继协议的中继节点间干扰会严重影响系统传输速率,为此本文针对译码转发双路径中继协议,提出了一种启发性中继选择算法以最大化系统的传输速率性能.不同于现有的中继选择算法,该算法考虑了中继间干扰,其设计原则不仅基于当前时隙信道状态,还取决于被选中中继节点的上一时隙的信道状态.仿真结果证明启发式中继选择(heuristil relay selection,HRS)算法能够克服中继间干扰问题,以较低复杂度改善系统平均传输速率.     

认知解码转发中继网络的安全性能分析

在认知中继安全通信网络中,研究了自适应解码转发中继节点采用机会式传输策略的物理层安全性能。在满足主用户对干扰功率限制的条件下,推导了在瑞利信道下的安全中断概率的闭合表达式,并进一步推导了安全中断概率性能的渐近表达式,从而可以直观地对系统性能进行分析。仿真结果验证了理论分析的正确性,并揭示了在认知中继网络中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,可以通过增大主用户的最大干扰功率容限和增加次级中继节点个数来提升系统安全性能。