【摘要】：眾所周知,通信質(zhì)量一般從三個(gè)方面進(jìn)行衡量:有效性,即衡量在同樣帶寬條件下所能傳輸信息的容量或吞吐量;可靠性,也就是數(shù)據(jù)在信道傳輸過程中由于各種噪聲而帶來的誤碼率指標(biāo);安全性,即數(shù)據(jù)傳輸過程中面對(duì)人為破壞和威脅時(shí)的抵抗能力。隨著進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代,網(wǎng)絡(luò)安全越來越受國家重視,甚至到了“沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全”的重要程度。相對(duì)于封閉的有線通信系統(tǒng),無線網(wǎng)絡(luò)由于其傳播媒介的開放性更容易受到安全威脅。目前一般信息安全依賴于上層的數(shù)據(jù)加密技術(shù),需要一定的計(jì)算復(fù)雜度,而且這種加密實(shí)現(xiàn)需要占用一定的開銷。在這種背景下,物理層安全的研究逐漸成為近來的研究熱點(diǎn)。物理層安全本質(zhì)上是利用無線信道的各種隨機(jī)特性,通過信號(hào)處理、天線、編碼調(diào)制等物理層手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的安全傳輸。與傳統(tǒng)的加密方法相比,物理層安全有很多優(yōu)點(diǎn),比如無需上層復(fù)雜的密鑰交換流程等。本文從無線網(wǎng)絡(luò)中用戶端所面臨的各種實(shí)際因素出發(fā),利用合作通信手段去解決在這些場景條件下的物理層安全問題。論文主要考慮了用戶終端的移動(dòng)性、用戶的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和用戶終端能耗三個(gè)因素,提出了在不同場景下基于合作通信的物理層安全增強(qiáng)的方法,并深入分析了對(duì)應(yīng)的物理層安全性能,為物理層安全的實(shí)際部署應(yīng)用起了一定的推動(dòng)作用。本文的研究工作主要包括以下三個(gè)方面:(1)針對(duì)用戶終端具有移動(dòng)性特點(diǎn),為了保證用戶在小區(qū)中心、小區(qū)交疊處等不同位置時(shí)的安全性能,本文提出了“無縫安全”的概念,即考慮了用戶在不同位置時(shí)的安全性能,當(dāng)用戶在多個(gè)小區(qū)之間穿越時(shí)一直能保證安全性能指標(biāo)。為了達(dá)到此目的,主要思想是利用多小區(qū)的宏分集,提出了一種聯(lián)合天線選擇(Transmit Antenna Selection,TAS)與協(xié)作通信(Cooperative Communication)的物理層安全傳輸方法(TAS-Cop)。首先,兩個(gè)彼此相隔一定距離的基站都具有多根天線,利用天線選擇技術(shù),每個(gè)基站都選擇能使合法接收用戶信噪比最大的天線發(fā)送保密信息;其次,當(dāng)用戶在兩個(gè)基站覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí),基站彼此之間通過協(xié)作從而動(dòng)態(tài)地調(diào)整各自的發(fā)送功率,在用戶端通過一定的合并算法以尋求最佳的安全性能。分析與仿真結(jié)果表明,本文提出的基于天線選擇與合作通信聯(lián)合的物理層安全增強(qiáng)方法,能有效地提升用戶在小區(qū)不同位置的安全性能。(2)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)里,考慮用戶業(yè)務(wù)往往服從一定的分布,比如服從泊松分布的規(guī)律,這勢必將影響用戶的安全策略。本文提出了一種基于博弈論的合作干擾物理層安全方法。首先,利用連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈對(duì)用戶的業(yè)務(wù)模型進(jìn)行了系統(tǒng)建模,其次,設(shè)計(jì)了主用戶和次級(jí)用戶各自的效用函數(shù),次級(jí)用戶可作為友好的干擾節(jié)點(diǎn)以提升主用戶的安全性能,同時(shí)作為回報(bào),主用戶騰出部分頻譜供次級(jí)用戶傳輸數(shù)據(jù)。通過求解博弈論最佳策略,得出主用戶和次級(jí)用戶通過彼此合作能得到更高的效益。(3)為了追求物理層安全性能,同時(shí)考慮優(yōu)化終端功耗、達(dá)到綠色通信目標(biāo),本文提出了一種自適應(yīng)的傳輸策略。在兩跳多中繼單竊聽系統(tǒng)模型中,源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)可通過中間節(jié)點(diǎn)執(zhí)行中繼。本文提出了兩種傳輸策略,即只選擇中繼節(jié)點(diǎn)傳輸策略和中繼干擾節(jié)點(diǎn)同時(shí)存在的傳輸策略。當(dāng)單獨(dú)中繼節(jié)點(diǎn)就能滿足預(yù)定的安全性能時(shí),則選擇只有中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸策略,從而節(jié)約能耗。當(dāng)單獨(dú)中繼節(jié)點(diǎn)不能滿足預(yù)定的安全性能時(shí),則同時(shí)選擇中繼干擾雙節(jié)點(diǎn)的傳輸策略,干擾節(jié)點(diǎn)用于確保安全性能。系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的規(guī)則可在兩種策略條件下自適應(yīng)的切換。相比較于無中間節(jié)點(diǎn)協(xié)作的直傳方法,本文提出的協(xié)作中繼傳輸方法在滿足安全速率條件的同時(shí),可有效降低系統(tǒng)的總功耗。
【圖文】：

第１章緒論邐逡逑（１）不可信中繼逡逑不可信中繼既能中繼有用信號(hào)，也能扮演竊聽者竊取有用信號(hào)，如圖１－７所逡逑信源利用中繼節(jié)點(diǎn)將信息中繼至信宿，但同時(shí)也不想讓信息被中繼節(jié)點(diǎn)竊聽。逡逑問題模型首先在文獻(xiàn)［３７］里被提出。文獻(xiàn)［３８］－［４０］利用編碼理論探索了這類逡逑下的安全容量界限，結(jié)果表明盡管中繼節(jié)點(diǎn)是不可信的，但合作仍然有用，逡逑得非負(fù)的安全容量。文獻(xiàn)［４１］研宄在單跳不可信中繼節(jié)點(diǎn)下，利用信源／中繼逡逑聯(lián)合波束成形，從而最大化安全速率。文獻(xiàn)［４２］則研宄在兩條不可信中繼下，逡逑迭代算法，，最優(yōu)信源／中繼聯(lián)合的波束成形因子。文獻(xiàn)［４３］在［４１］［４２］研究的逡逑波束形成基礎(chǔ)上，還提出了最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)選擇方法。而在實(shí)際環(huán)境中，考慮逡逑落信道，相比較遍歷安全容量，安全容量中斷概率（Ｓｅｃｒｅｃｙ邋ｏｕｔａｇｅ邋ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，逡逑Ｐ）更具實(shí)際意義。文獻(xiàn)［４４］聚焦于研宄在ＡＦ協(xié)議下的安全容量中斷概率。逡逑邐邐

ｅ逡逑圖２－３非零安全容量概率ｖｓ＿邋＼邋（匕＝Ｌ邋＝匕二７ｆ２邋＝邋０邋ｄＢ）逡逑圖２－４分析了在安全容量＆邋＝１時(shí)的容量中斷概率的性能。從圖中可逡逑以看出，容量中斷概率Ｐｊ／Ｕ隨著乙或＆，Ｉ的增加而減小。此外，該圖還逡逑描繪了漸進(jìn)的容量中斷概率，用“Ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃ”表示。當(dāng)匕、趨于高信噪比逡逑時(shí)，如２０ｄＢ，精確的容量中斷概率Ｕ＆）將接近漸近中斷概率。因此，可以證逡逑明本章漸近中斷概率推導(dǎo)的正確性。值得注意的是，我們從式（２．２１）得到的逡逑３１逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN918

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