基于無(wú)線全雙工通信的物理層安全研究.pdf

1、長(zhǎng)久以來(lái)，在同一個(gè)無(wú)線物理信道上進(jìn)行異步的雙向通信被認(rèn)為是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橥唤邮斩说挠行盘?hào)往往會(huì)為其自身強(qiáng)烈的發(fā)射信號(hào)所湮沒(méi)。然而，隨著現(xiàn)代數(shù)字與模擬信號(hào)自干擾消除技術(shù)的演進(jìn)，無(wú)線全雙工技術(shù)在2010年前后取得了突破性的進(jìn)展。目前最新的試驗(yàn)成果已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多入多出（MIMO）系統(tǒng)進(jìn)行同時(shí)同頻的收發(fā)通信，并且其自殘留干擾可以被抑制于白噪聲級(jí)的水平。此項(xiàng)技術(shù)對(duì)于無(wú)線通信無(wú)疑具有里程碑式的意義，協(xié)議設(shè)計(jì)將因此而產(chǎn)生巨大變革。除了可以提高頻

2、譜效率、倍增通信容量之外，無(wú)線全雙工技術(shù)也可以被用于發(fā)送人工噪聲以擾亂潛在的竊聽(tīng)結(jié)點(diǎn)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的通信安全性能。
　　人工噪聲方法是一種基于物理層安全的解決方案。經(jīng)典的人工噪聲模型由發(fā)送端在發(fā)送有效信號(hào)的同時(shí)附帶干擾噪聲，其基本思想是利用多入多出系統(tǒng)的維度特性，將人工噪聲注入至主信道的零空間中。如此，既保證了主信道的正常通信又能達(dá)到擾亂竊聽(tīng)的效果。其安全性能通常以物理層安全理論中的“可達(dá)安全速率”加以衡量，并作為發(fā)送信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3、的參考依據(jù)。
　　本文將提出一種“雙極人工噪聲”模型，其中接收結(jié)點(diǎn)運(yùn)作于全雙工模式，其在接收正常信號(hào)的同時(shí)與發(fā)送方一并發(fā)送人工噪聲，從而進(jìn)一步提升多入多出竊聽(tīng)信道的安全性能。此種安全配置對(duì)于保護(hù)接收者的近場(chǎng)區(qū)域通信將有顯著效果，同時(shí)在密鑰傳輸、軍隊(duì)自組網(wǎng)絡(luò)等安全性要求比較高的場(chǎng)合具有一定的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)于全雙工結(jié)點(diǎn)的建模，本文詳細(xì)研究了無(wú)線全雙工技術(shù)在物理層安全通信中的應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體如下：
　　1）本文首先研究了所有

4、結(jié)點(diǎn)均為多天線配置的場(chǎng)景下，采用經(jīng)典人工噪聲方法，收發(fā)雙方信號(hào)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到最優(yōu)的安全速率，接收方只需要分配一部分而非全部的信號(hào)維度用以接收有效信息。為了充分利用這些剩余的維度資源，本文提出了“雙極人工噪聲”的理論模型。
　　2）針對(duì)現(xiàn)有無(wú)線全雙工系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)全雙工自干擾信道進(jìn)行了多種形式的理論建模。其中包括：自干擾模型、天線分離模型以及信噪比損失模型等。
　　3）在竊聽(tīng)信道信息完全已知、全雙工信道采

5、用自干擾模型的場(chǎng)景下，通過(guò)雙極波束成形，推導(dǎo)出“雙極人工噪聲”模型的可達(dá)安全速率。進(jìn)而對(duì)雙邊的信號(hào)進(jìn)行功率分配以得出安全速率的極大值，并與多入多出竊聽(tīng)信道的理論安全容量進(jìn)行對(duì)比。
　　4）在竊聽(tīng)信道信息分布已知、主信道為靜態(tài)信道并且全雙工信道采用天線分離模型的場(chǎng)景下，應(yīng)用隨機(jī)矩陣?yán)碚撚?jì)算“雙極人工噪聲”模型的遍歷安全速率。通過(guò)對(duì)收發(fā)雙方功率與天線資源的聯(lián)合優(yōu)化，求得遍歷安全速率的極大值，并對(duì)之進(jìn)行離線概率驗(yàn)證。
　　5）在竊