基于人工噪聲的物理層信息安全研究.pdf

1、鑒于無(wú)線媒介的廣播特性，其信息傳輸?shù)陌踩砸恢眰涫荜P(guān)注。作為對(duì)加密技術(shù)的一種補(bǔ)充，物理層安全成為一種新的研究方向。在發(fā)送信號(hào)中添加人工噪聲的方式是一種衰落竊聽(tīng)信道下實(shí)現(xiàn)保密通信的有效方法。因此，以凸優(yōu)化理論為數(shù)學(xué)工具，本文對(duì)基于人工噪聲的物理層信息安全進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)研究多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)和認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的保密通信的魯棒性設(shè)計(jì)。論文的主要工作和創(chuàng)新如下:
　　 (1)為實(shí)現(xiàn)發(fā)射端和合法接收端的保密通信，根據(jù)通信系統(tǒng)的

2、物理層特性，引入分布于主信道（發(fā)射端和合法接收端之間的信道）零空間內(nèi)的人工噪聲，通過(guò)衰落竊聽(tīng)信道（發(fā)射端與非法接收端之間的信道），降低非法接收端的信噪比。仿真結(jié)果表明，此添加人工噪聲的方法在干擾竊聽(tīng)信道的同時(shí)不會(huì)對(duì)主信道造成任何影響，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射端與合法接收端之間的保密通信，但沒(méi)有考慮功率分配優(yōu)化問(wèn)題。
　　 (2)為實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率的合理分配，論文研究一種波束成形矢量和人工噪聲的協(xié)方差矩陣聯(lián)合優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。假設(shè)發(fā)射端能獲取主信道

3、和竊聽(tīng)信道的完整的信道狀態(tài)信息(CSI)，為保證合法接收端的服務(wù)質(zhì)量，以最小化總發(fā)射功率為目標(biāo)，限制合法接收端信噪比的最小值和非法接收端信噪比的最大值為約束條件，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率在人工噪聲和信息信號(hào)之間的合理分配，節(jié)省功率資源。仿真結(jié)果證明，在實(shí)現(xiàn)相同程度的保密通信條件下，添加人工噪聲的設(shè)計(jì)方法比未添加人工噪聲的設(shè)計(jì)方法節(jié)省發(fā)射功率，也說(shuō)明人工噪聲對(duì)于提高系統(tǒng)保密通信性能的作用。
　　 (3)針對(duì)發(fā)射端只獲得信道狀態(tài)信息的均值，信道

4、誤差在一定范圍內(nèi)的情況，論文提出了一種基于人工噪聲的以優(yōu)化發(fā)射功率為目標(biāo)的魯棒性設(shè)計(jì)方法，對(duì)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和數(shù)值求解。在求解最優(yōu)波束成形矢量和人工噪聲的協(xié)方差矩陣時(shí)，CSI存在不確定度，優(yōu)化問(wèn)題的約束條件為無(wú)限多個(gè)，無(wú)法求解。論文采用S-procedure定理，將無(wú)限個(gè)約束條件變換為有限的線性矩陣不等式。仿真結(jié)果表明，論文提出的魯棒性設(shè)計(jì)方法可提高保密通信系統(tǒng)發(fā)射功率的穩(wěn)定性。
　　 (4)考慮到認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可以提高頻譜

5、資源的利用率，論文研究認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物理層安全問(wèn)題，對(duì)波束成形矢量和人工噪聲協(xié)方差矩陣進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。以最大化次用戶接收端的信噪比為目標(biāo)，限制非法接收端的接收信噪比最大值、主用戶處的干擾溫度（次用戶發(fā)射信號(hào)對(duì)主用戶接收端產(chǎn)生的干擾功率）及次用戶發(fā)射功率。在此基礎(chǔ)上，以最小化次用戶的發(fā)射功率為目標(biāo)，限制次用戶的接收信噪比最小值和竊聽(tīng)端接收信噪比的最大值及干擾溫度，論文提出了一種新的波束成形矢量和人工噪聲協(xié)方差矩陣的聯(lián)合設(shè)計(jì)方案，并對(duì)