本文關(guān)鍵詞：協(xié)作波束成形與多中繼物理層安全，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)步和手機(jī)的普及,人們對要求更優(yōu)質(zhì)的通話服務(wù)質(zhì)量QoS (Quality of Service)和更高速的數(shù)據(jù)傳輸。需求帶動著理論的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,在最近普及的4G網(wǎng)絡(luò)中,MIMO (Multiple Input Multiple Output)技術(shù)因?yàn)槠涮赜械膬?yōu)勢得到了應(yīng)用。MIMO技術(shù)通過能夠提高系統(tǒng)的空間分集增益和復(fù)用增益,減小信號衰落帶來的影響,提高信息傳輸速率,保障系統(tǒng)的QoS。然而由于需要多根天線的架設(shè),會導(dǎo)致設(shè)備成本過高或者不便于移動。在通信可靠性的基礎(chǔ)上,信息的安全性和私密性也是通信研究過程中的一個關(guān)鍵問題,特別是在無線通信中由于無線介質(zhì)的廣播特性,信息傳輸?shù)陌踩杂葹橹匾，F(xiàn)有的保證信息機(jī)密傳輸?shù)氖侄沃饕歉鶕?jù)香農(nóng)提出的信息論安全方案,在網(wǎng)絡(luò)層信號的編碼和解碼階段使用加密方法,通過安全秘鑰算法或者公鑰方法,確保只有享有私鑰的用戶才能解碼出原信息。然而由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,秘鑰分配更加困難,通過加密手段保證系統(tǒng)安全性將會越來越困難。因此,物理層安全無線通信受到了極大的期望。物理層安全是指在TCP/IP模型中的物理層中,通過一定的技術(shù)方案,盡量實(shí)現(xiàn)信息的無泄漏傳輸。物理層安全是基于Wyner在1975年提出的理論,當(dāng)竊聽用戶的CSI (Channel State Information)較差于合法用戶的CSI時,就可以得出信息傳輸?shù)淖畲蟀踩俾省Ｔ谶@個理論前提下,關(guān)于物理層安全的研究有著快速的發(fā)展。協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中,利用多個移動終端作為中繼,相互協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)信號,可以形成一個類似MIMO的多天線陣列�？梢跃哂蠱IMO技術(shù)的優(yōu)勢增加空信息容量、降低能量消耗,并且具有很好的便攜性。在多中繼網(wǎng)絡(luò)中利用波束成形技術(shù),可以通過簡潔明了的信號加權(quán),實(shí)現(xiàn)信號的定向傳輸,提高接收端信號的SNR(Signal to Noise Ratio)。在物理層安全中,利用多中繼協(xié)作通信,可以使用更多的技術(shù)比如波束成形、協(xié)作干擾和干擾對齊來提高系統(tǒng)的安全容量,增加傳輸中的保密自由度。本論文的主要主要貢獻(xiàn)點(diǎn)如下：提出了在多跳多中繼網(wǎng)絡(luò)中通過遺傳算法設(shè)計(jì)波束權(quán)值來提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)信道衰落尤為嚴(yán)重的時候,通過兩個中繼群依次對信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā)來增加信號的SNR。根據(jù)優(yōu)化問題信噪比最大化和中繼功率最小化來分別設(shè)計(jì)兩個中繼群的波束權(quán)重。在問題優(yōu)化過程中,將兩個變量的優(yōu)化問題通過數(shù)學(xué)計(jì)算簡化為單一變量的問題,進(jìn)而使用遺傳算法進(jìn)行求解。對比用遺傳算法直接求解原始問題,優(yōu)化后的問題由于初始變量的折半,會減少很多的計(jì)算時間。仿真結(jié)果表明跟迭代計(jì)算凸優(yōu)化方法對比,我們的方法有了較大的性能提升。研究了在多中繼網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全問題,計(jì)算系統(tǒng)最大可達(dá)的安全自由度。其中每一個節(jié)點(diǎn)均配備單根天線。多個中繼分為兩個群組,不僅幫助信息的傳輸,同時通過發(fā)送高斯噪聲干擾潛在的惡意竊聽用戶來提高信息在物理層傳輸?shù)陌踩�。通過在干擾群組中共享隨機(jī)的干擾信號,可以計(jì)算出多中繼系統(tǒng)中可以達(dá)到的最大自由度DoF (Degree of Freedom)為1/2,并且在高信噪比下更為接近。給出了達(dá)到最大DoF的充分必要條件,并且清晰明確的寫出達(dá)到最大DoF所需要采取的策略,為系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方案給出了指引。根據(jù)最大DoF的策略,設(shè)計(jì)了一個簡單的波束成形和協(xié)作干擾系統(tǒng),分別考慮在竊聽端CSI已知或者未知的情況下的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì),能量分配等方案。仿真結(jié)果表明我們的方案比傳統(tǒng)的中繼網(wǎng)絡(luò)有個更高的安全速率,并且在高信噪比下的優(yōu)勢更為突出。
【關(guān)鍵詞】：協(xié)作通信 波束成形 物理層安全 多中繼網(wǎng)絡(luò)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN919.3
【目錄】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 符號說明12-13
• 縮略語簡表13-14
• 第一章 緒論14-20
• 1.1 協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)概述14-17
• 1.1.1 影響無線通信可靠性的因素14-15
• 1.1.2 協(xié)作通信的發(fā)展過程15-16
• 1.1.3 波束成形技術(shù)16-17
• 1.2 協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀17-18
• 1.3 本論文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)18
• 1.4 論文章節(jié)安排18-20
• 第二章 無線通信物理層安全基礎(chǔ)20-26
• 2.1 物理層安全簡述20-22
• 2.1.1 現(xiàn)有信息安全方法20-21
• 2.1.2 物理層安全理論基礎(chǔ)21-22
• 2.2 物理層安全的主要方法22-25
• 2.2.1 波束成形23
• 2.2.2 協(xié)作干擾23-24
• 2.2.3 干擾對齊24-25
• 2.3 本章小結(jié)25-26
• 第三章 基于遺傳算法的多跳協(xié)作波束成形方法26-35
• 3.1 引言26
• 3.2 多跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型26-28
• 3.3 基于遺傳算法的波束成形設(shè)計(jì)方法28-31
• 3.3.1 遺傳算法概述28-29
• 3.3.2 信噪比最大化29-30
• 3.3.3 中繼總傳輸功率最小化30-31
• 3.4 仿真結(jié)果分析31
• 3.5 本章小結(jié)31-35
• 第四章 基于自由度最大化的多中繼物理層安全方法35-47
• 4.1 引言35
• 4.2 多中繼多干擾網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型35-37
• 4.3 系統(tǒng)安全容量自由度最大化37-40
• 4.3.1 保密容量的DoF38-39
• 4.3.2 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)DoF的方法39-40
• 4.4 協(xié)作波束成形和人工干擾方法的結(jié)合方法40-43
• 4.4.1 未知竊聽端CSI的安全方法40-42
• 4.4.2 已知竊聽端CSI的安全方法42-43
• 4.5 仿真結(jié)果分析43-46
• 4.6 本章小結(jié)46-47
• 第五章 總結(jié)與展望47-49
• 5.1 工作總結(jié)47-48
• 5.2 未來展望48-49
• 參考文獻(xiàn)49-56
• 致謝56-57
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文以及參與的科研項(xiàng)目57-58
• 附件58

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