發(fā)布時間：2017-09-05 17:27

  本文關(guān)鍵詞：多用戶系統(tǒng)的物理層安全性能研究

  更多相關(guān)文章： 物理層安全 多用戶保密通信 信道誤差 有限反饋 保密 速率均衡 用戶選擇

【摘要】：物理層安全技術(shù)可提供不依賴于計算復(fù)雜度的“絕對安全”,從物理層構(gòu)筑信息安全的第一道屏障,是增強未來無線通信安全的重要手段之一。目前,單目標(biāo)用戶場景的物理層安全已被廣泛研究,推動了物理層安全理論與關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。而實際無線通信網(wǎng)絡(luò)為多用戶系統(tǒng),其物理層安全研究相對復(fù)雜,仍有很多亟待解決的問題,如保密容量研究、保密信道編碼設(shè)計、物理層安全傳輸性能分析與優(yōu)化等。本論文主要圍繞第三個問題展開,通過理論推導(dǎo)探索利用人為噪聲(Artificial Noise, AN)、線性預(yù)編碼、用戶選擇等手段保障多用戶保密通信,并揭示信道狀態(tài)信息(Channel State Information, CSI)、網(wǎng)絡(luò)負載、功率分配(Power Allocation, PA)、竊聽邊信息等關(guān)鍵參數(shù)與保密傳輸性能之間的聯(lián)系。具體研究內(nèi)容和主要貢獻如下所述。(1)針對AN協(xié)助的多用戶保密通信系統(tǒng),基于隨機矩陣理論和大系統(tǒng)分析方法,推導(dǎo)了可達遍歷保密速率的閉合表達式,分析了系統(tǒng)在理想和非理想CSI下的平均保密傳輸能力；研究了有用信號與AN之間的最優(yōu)PA,得到了其在高信噪比時的閉式解,并量化地分析了信道誤差對最優(yōu)PA的影響,這些結(jié)論可直觀揭示最優(yōu)PA與關(guān)鍵參數(shù)之間的聯(lián)系；針對非理想CSI引起的保密速率損失問題,推導(dǎo)了CSI反饋的擴展規(guī)律、最優(yōu)導(dǎo)頻序列長度等關(guān)鍵參數(shù)的閉式解,可為信道估計設(shè)計提供理論依據(jù)。(2)針對具有好奇用戶的多用戶系統(tǒng)在有限反饋下的保密傳輸問題,基于隨機向量量化(Random Vector Quantization, RVQ)理論和量化微元逼近方法,推導(dǎo)了遍歷保密速率的閉合表達式,分析了系統(tǒng)在有限反饋下的平均保密傳輸能力；推導(dǎo)了保持恒定保密速率損失所需的CSI反饋擴展規(guī)律,可直觀揭示關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)與CSI反饋的聯(lián)系；研究了保密通信所需的最少CSI反饋,以及最大化保密速率的發(fā)送功率、網(wǎng)絡(luò)負載,并通過對比無竊聽多用戶系統(tǒng)的結(jié)論,研究了系統(tǒng)為了對抗竊聽所應(yīng)付出的“代價”。(3)針對具有各自保密性需求的多用戶系統(tǒng),通過優(yōu)化功率分配均衡所有用戶的可達保密速率,進而最大化整體保密吞吐量或最小化功耗；建立了相應(yīng)的PA優(yōu)化模型,推導(dǎo)了全局最優(yōu)解的必要條件,可用于迭代算法的收斂判定；針對迫零預(yù)編碼方案,推導(dǎo)了全局最優(yōu)解的解析解,并給出一種修改的注水算法；針對一般預(yù)編碼方案,基于對保密速率表達式的一種下界變換,將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題,進而設(shè)計了一種PA迭代算法。這些算法可在滿足所有用戶保密性需求的同時,提升系統(tǒng)的整體保密性能。(4)針對具有個別好奇用戶的多用戶單入單出系統(tǒng),基于次序統(tǒng)計理論,推導(dǎo)了最優(yōu)用戶選擇策略的遍歷保密中斷概率,并證明了竊聽邊信息對保密性能、選擇方案設(shè)計的重要作用；針對非理想CSI下的多用戶多入單出系統(tǒng),基于RVQ理論和量化微元逼近方法,推導(dǎo)了不同用戶選擇數(shù)對應(yīng)遍歷保密速率的閉合表達式；基于這些表達式,可以很容易地計算給定系統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)用戶選擇數(shù),進而提出一種AN協(xié)助的多模(即最優(yōu)用戶選擇數(shù))傳輸策略,可有效提升系統(tǒng)的平均保密速率。上述研究成果可歸結(jié)為,針對多用戶系統(tǒng)中的物理層安全傳輸問題,通過理論推導(dǎo)與分析,研究利用AN、預(yù)編碼、功率控制、用戶選擇等手段保障或增強保密傳輸能力,并揭示系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)與保密性能的聯(lián)系,進而為面向物理層安全的信道估計、資源優(yōu)化、用戶調(diào)度等提供理論支撐。
【關(guān)鍵詞】：物理層安全 多用戶保密通信 信道誤差 有限反饋 保密 速率均衡 用戶選擇
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN918
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 符號對照表15-16
• 第一章 緒論16-36
• 1.1 研究背景16-19
• 1.1.1 無線通信面臨嚴峻安全挑戰(zhàn)16
• 1.1.2 物理層安全的研究意義16-17
• 1.1.3 與本論文相關(guān)的研究背景17-18
• 1.1.4 本論文的項目支撐18-19
• 1.2 物理層安全及其研究現(xiàn)狀19-24
• 1.2.1 物理層安全的基本原理與保密容量19-20
• 1.2.2 物理層安全的關(guān)鍵技術(shù)20-22
• 1.2.3 多用戶系統(tǒng)的物理層安全研究現(xiàn)狀22-24
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點24-25
• 1.4 本論文的組織結(jié)構(gòu)25-27
• 本章參考文獻27-36
• 第二章 人為噪聲協(xié)助的多用戶保密傳輸性能分析36-68
• 2.1 引言36-37
• 2.2 人為噪聲協(xié)助的多用戶下行保密傳輸模型37-40
• 2.2.1 含有人為噪聲的發(fā)送信號模型38-39
• 2.2.2 可達遍歷保密速率39-40
• 2.3 遍歷保密速率的閉合表達式及漸進特性分析40-46
• 2.3.1 遍歷保密速率的大系統(tǒng)近似分析40-42
• 2.3.2 對功率分配因子φ的討論42-43
• 2.3.3 大系統(tǒng)近似結(jié)論的仿真驗證與分析43-45
• 2.3.4 N>M-K場景45-46
• 2.4 有用信號與人為噪聲之間的最優(yōu)功率分配46-49
• 2.5 非理想CSIT場景中的保密傳輸性能49-57
• 2.5.1 非理想CSIT場景中的最優(yōu)功率分配52-53
• 2.5.2 保持恒定保密速率損失所需的CSI反饋量53-55
• 2.5.3 最大化有效保密速率的最優(yōu)訓(xùn)練序列長度55-57
• 2.6 本章小結(jié)57-58
• 附錄Ⅰ-A 隨機矩陣的基本結(jié)論58-59
• 附錄Ⅰ-B 本章主要結(jié)論證明59-65
• Ⅰ-B.1 定理2-1證明(γ_E~o的推導(dǎo))59-60
• Ⅰ-B.2 定理2-2證明(R_(s,H)~L是凹函數(shù)的證明)60
• Ⅰ-B.3 定理2-3證明(γ_(lm)~o品的推導(dǎo))60-62
• Ⅰ-B.4 引理2-3證明(外部竊聽系統(tǒng)中反饋擴展規(guī)律B°的推導(dǎo))62-63
• Ⅰ-B.5 定理2-5證明(最優(yōu)導(dǎo)頻序列長度T_p~(opt)的推導(dǎo))63-65
• 本章參考文獻65-68
• 第三章 有限反饋下多用戶系統(tǒng)的遍歷保密速率分析68-86
• 3.1 引言68-69
• 3.2 有限反饋下的多用戶保密通信模型69-71
• 3.2.1 有限反饋模型70-71
• 3.2.2 ZF預(yù)編碼71
• 3.2.3 可達遍歷保密速率71
• 3.3 遍歷保密速率的閉合表達式71-74
• 3.3.1 理想CSIT場景72
• 3.3.2 有限反饋場景72-74
• 3.4 遍歷保密速率的漸進特性分析74-75
• 3.4.1 干擾受限場景分析74
• 3.4.2 CSI反饋擴展規(guī)律74-75
• 3.5 仿真驗證與分析75-79
• 3.5.1 驗證閉合表達式的準確性76
• 3.5.2 反饋量擴展規(guī)律的有效性驗證76-77
• 3.5.3 達到最大保密速率的臨界SNR77-78
• 3.5.4 保障保密通信的最少CSI反饋78
• 3.5.5 有限反饋下多用戶保密傳輸?shù)淖顑?yōu)網(wǎng)絡(luò)負載78-79
• 3.6 本章小結(jié)79-80
• 附錄Ⅱ 本章重要結(jié)論證明80-83
• Ⅱ.1 函數(shù)I_1((?))、I_2((?))和I_3((?)·)的定義80
• Ⅱ.2 定理3-1的證明(R_L的推導(dǎo))80-81
• Ⅱ.3 定理3-2的證明(R_E的推導(dǎo))81
• Ⅱ.4 引論3-1的證明(R_L的推導(dǎo))81-82
• 11.5 定理3-3的證明(好奇用戶系統(tǒng)中反饋擴展規(guī)律B的推導(dǎo))82-83
• 本章參考文獻83-86
• 第四章 滿足差異化保密需求的保密速率均衡算法研究86-102
• 4.1 引言86-87
• 4.2 具有不同保密需求的多用戶系統(tǒng)模型87-88
• 4.3 保密速率均衡問題描述88-90
• 4.4 保密速率均衡算法設(shè)計90-94
• 4.4.1 針對ZF預(yù)編碼的閉式解90-91
• 4.4.2 針對一般預(yù)編碼的PA迭代算法91-94
• 4.5 保密速率均衡算法的性能仿真與分析94-97
• 4.6 本章小結(jié)97-98
• 附錄Ⅲ 本章重要結(jié)論證明98-101
• Ⅲ.1 定理4-1的證明(P1全局最優(yōu)解的必要條件證明)98
• Ⅲ.2 定理4-2的證明(P3全局最優(yōu)解的必要條件證明)98
• Ⅲ.3 引理4-1的證明(ZF系統(tǒng)中P1全局最優(yōu)解的充要條件證明)98-99
• Ⅲ.4 引理4-2的證明(Rs_k~L(p)是凹函數(shù)的證明)99
• Ⅲ.5 迭代算法的收斂性證明99-101
• 本章參考文獻101-102
• 第五章 多用戶保密通信系統(tǒng)的用戶選擇性能分析102-128
• 5.1 引言102-103
• 5.2 具有個別好奇用戶的MU-SISO系統(tǒng)的用戶選擇性能分析103-110
• 5.2.1 具有個別好奇用戶的MU-SISO系統(tǒng)模型103-104
• 5.2.2 具有個別好奇用戶時的保密中斷概率104-108
• 5.2.3 仿真分析108-110
• 5.3 具有非理想CSIT的MU-MISO系統(tǒng)的保密傳輸性能研究110-120
• 5.3.1 MU-MISO系統(tǒng)模型與AN協(xié)助的多模傳輸策略111-112
• 5.3.2 不同選擇用戶數(shù)的遍歷容量分析112-117
• 5.3.3 仿真驗證與分析117-120
• 5.4 本章小結(jié)120-121
• 附錄Ⅳ 本章重要結(jié)論證明121-125
• Ⅳ.1 函數(shù)I_4((?))和I_5((?)·)的定義121
• Ⅳ.2 定理5-1的證明(保密中斷概率隨τ和N單調(diào)遞減的證明)121
• Ⅳ.3 定理5-2的證明(保密中斷概率隨i單調(diào)遞減的證明)121-122
• Ⅳ.4 定理5-3的證明(SU場景中,R_(L,s)~(SU)的推導(dǎo))122
• Ⅳ.5 定理5-4的證明(SU場景中,R_(E,s)~(SU)的推導(dǎo))122
• Ⅳ.6 定理5-5的證明(1122-123
• Ⅳ.7 定理5-6的證明(1123-124
• Ⅳ.8 引理5-1的證明(K_s=M場景中,R_(L,s)~(MU2)的推導(dǎo))124
• Ⅳ.9 引理5-2的證明(K_s=M場景中,R_(E,s)~(MU2)的推導(dǎo))124-125
• 本章參考文獻125-128
• 第六章 總結(jié)與展望128-132
• 6.1 論文總結(jié)128-129
• 6.2 研究展望129-132
• 縮略語132-134
• 致謝134-136
• 攻讀博士期間發(fā)表的論文136

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本文編號：799302