無線物理層安全通信中的波束成形技術(shù)研究.pdf

1、物理層安全技術(shù)利用無線信道特征來實(shí)現(xiàn)安全通信，有效克服了傳統(tǒng)安全技術(shù)依賴于竊聽者有限能力的缺陷。隨著多天線系統(tǒng)的快速發(fā)展和應(yīng)用，基于多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）波束成形的物理層安全傳輸技術(shù)能夠充分利用空間自由度來開發(fā)合法信道和竊聽信道的差異性，同時(shí)滿足了無線通信的可靠性和安全性需求，因而成為當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，保密容量之外的安全目標(biāo)下的低復(fù)雜度波束成形算法、適用于不

2、同誤差模型下魯棒性更強(qiáng)的波束成形算法以及有限反饋波束成形算法的保密性能分析等成為了物理層安全研究中的關(guān)鍵和難點(diǎn)問題。本文圍繞這些問題在合法信道和竊聽信道不同信道狀態(tài)信息（CSI）情況下進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容包括：
　?、艔睦硐隒SI情況下的波束成形設(shè)計(jì)出發(fā)，針對多用戶多天線高斯竊聽信道（MG-MRWC）模型中保密容量難以計(jì)算和用戶間干擾（IUI）導(dǎo)致信號交叉的問題，研究了保密和速率最大化和信干噪比（SINR）平衡兩個(gè)問題，提出了

3、以迫零(Zero Forcing，ZF）和信漏噪比（SLNR）為基本準(zhǔn)則的波束成形算法。為了驗(yàn)證SLNR準(zhǔn)則度量保密性能的有效性，以多輸入單輸出多天線竊聽（MISOME）系統(tǒng)為例，本文從信號泄漏的角度定量分析了不同天線數(shù)目情況下 SLNR波束成形算法的保密性能。在此基礎(chǔ)上，針對MG-MRWC模型的最大化保密和速率問題，本文提出了第 I類 ZF（ZF-I）、第II類ZF（ZF-II）和加強(qiáng)信漏噪比（E-SLNR）波束成形算法。與兩種ZF波

4、束成形算法相比，統(tǒng)一考慮了IUI和竊聽者信號泄漏影響的E-SLNR波束成形算法不僅不受限于天線數(shù)目，而且以更低的計(jì)算復(fù)雜度獲得了最佳的保密性能。針對MG-MRWC模型的SINR平衡問題，為獲得計(jì)算復(fù)雜度和保密性能的最佳折中，本文提出了迫零SINR和修改SLNR（M-SLNR）波束成形算法。經(jīng)典半定松弛（SDR）波束成形算法由于隨機(jī)化處理而導(dǎo)致高計(jì)算復(fù)雜度。迫零SINR波束成形算法由于需要限定竊聽者的信號泄漏為零從而影響了保密性能。M-S

5、LNR波束成形算法可以根據(jù)竊聽者的SINR要求進(jìn)行雙模式選擇：基于等功率分配（EPA）的E-SLNR算法可以滿足竊聽者的低SINR要求，而基于竊聽者SINR要求的充分條件為約束的波束成形算法可以滿足竊聽者的高SINR要求。仿真結(jié)果表明M-SLNR波束成形算法能夠以較低的計(jì)算復(fù)雜度獲得較好的保密性能。
　?、漆槍Χ噍斎雴屋敵鰡翁炀€竊聽（MISOSE）模型中合法信道和竊聽信道CSI都存在誤差的情況，提出了人工噪聲輔助的魯棒波束成形算法

6、，克服了由于誤差CSI所導(dǎo)致的保密性能下降的問題。已有的研究成果表明，在僅有竊聽信道 CSI存在誤差的情況下，人工噪聲有助于提高波束成形算法的魯棒性。然而，在合法信道和竊聽信道 CSI都存在誤差的情況下，人工噪聲策略卻沒有得到充分應(yīng)用?；诖_定誤差模型，本文提出了基于最差性能的魯棒波束成形算法，解決了最差性能的保密速率最大化（WC-SRM）問題。該算法將初始NP-hard（Non-deterministic Polynomial har

7、d）問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)聯(lián)合半定規(guī)劃（SDP）和單變量優(yōu)化的問題，進(jìn)而能夠有效求解。此外，基于隨機(jī)誤差模型，本文研究了中斷概率的保密速率最大化（OP-SRM）問題，提出了基于中斷性能的魯棒波束成形算法。該算法利用隨機(jī)誤差模型和確定誤差模型之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，將OP-SRM問題轉(zhuǎn)化為WC-SRM問題進(jìn)行求解。進(jìn)一步，基于隨機(jī)誤差模型，本文研究了平均保密速率最大化（A-SRM）問題，提出了基于平均性能的魯棒波束成形算法，并證明了該算法的輸入信號協(xié)方差

8、矩陣的秩為一。仿真結(jié)果及分析在驗(yàn)證以上所提出的三種波束成形算法有效性的同時(shí)，也表明了人工噪聲的發(fā)送功率與合法信道和竊聽信道 CSI的誤差程度密切相關(guān)。當(dāng)合法信道CSI誤差越大時(shí)，使用人工噪聲就越要謹(jǐn)慎；當(dāng)竊聽信道CSI誤差越大時(shí)，需要分配給人工噪聲的發(fā)送功率就越多。
　?、轻槍y(tǒng)計(jì)竊聽信道信息情況下的多天線高斯竊聽信道（MGWC）模型，首先以最小化總發(fā)送功率為目標(biāo)設(shè)計(jì)了有用信號和人工噪聲之間的功率分配魯棒算法，然后分析了有限反饋波

9、束成形算法的可達(dá)保密速率。在 MISOSE和多輸入多輸出多竊聽（MIMOME）兩種模型中，分別針對合法信道CSI存在確定誤差和隨機(jī)誤差的情況進(jìn)行了魯棒發(fā)送設(shè)計(jì)。在確定誤差模型下，本文提出的算法能夠?qū)购戏ㄐ诺?CSI誤差的影響。在隨機(jī)誤差模型下，本文提出了兩種魯棒算法。其中一種利用隨機(jī)誤差模型與確定誤差模型之間的數(shù)學(xué)關(guān)系將概率約束問題轉(zhuǎn)化為確定約束問題進(jìn)行求解，該算法能獲得問題的次優(yōu)解；另一種利用馬爾可夫不等式將概率約束問題轉(zhuǎn)化為平均約

10、束問題，該算法獲得了平均性能的同時(shí)保證了較低的計(jì)算復(fù)雜度。針對MISOME模型，本文推導(dǎo)了有限反饋波束成形算法的保密性能表達(dá)式，并提出了一種新的反饋策略。當(dāng)信道增益超過固定門限值時(shí)，合法接收者反饋?zhàn)罴巡ㄊ尚蜗蛄康乃饕捅Ｃ芩俾式o發(fā)送端；否則，合法接收者只需要通知發(fā)送端保持靜默狀態(tài)。該策略雖然降低了系統(tǒng)的總吞吐量，但是保證了安全傳輸而且降低了反饋開銷。通過對有限反饋波束成形算法保密性能的漸近分析，本文研究了天線數(shù)目、有限反饋數(shù)目和信噪比

11、（SNR）增益等因素對保密性能的影響，從而獲得了保密速率為正的條件以及保證固定性能損失所需要的反饋比特?cái)?shù)目。
　　⑷研究了MG-MRWC模型中盲竊聽信道信息下的波束成形設(shè)計(jì)問題，提出了一種確定誤差約束下的魯棒波束成形算法。與其它誤差模型下的魯棒設(shè)計(jì)相比，確定誤差模型下基于最差性能的魯棒設(shè)計(jì)雖然略為保守，但是憑借其問題求解的可行性和性能的確定性受到了普遍的關(guān)注。由于未知竊聽信道的任何信息，本文建立了發(fā)送功率最小化（PM）問題。該問題