基于協(xié)作的無線竊聽信道安全通信與功率分配.pdf

1、無線媒質(zhì)的廣播特性致使任何在發(fā)射機(jī)覆蓋范圍內(nèi)的通信節(jié)點(diǎn)都可能捕獲該發(fā)射機(jī)的傳輸信號，無線通信面臨著竊聽威脅。有線網(wǎng)絡(luò)對抗信息竊聽的主要手段是依靠物理層以上各層制定的協(xié)議機(jī)制，如在應(yīng)用層廣泛使用的加密機(jī)制與公開密鑰協(xié)議，基本前提是假設(shè)物理層傳輸準(zhǔn)確無誤。加密機(jī)制保證信息安全傳輸?shù)暮诵氖歉`聽節(jié)點(diǎn)在未知加/解密密鑰下解密的計(jì)算不可行。隨著處理器計(jì)算能力的提高、量子計(jì)算機(jī)以及各種加密破解算法的出現(xiàn)，現(xiàn)有的各種加密機(jī)制或公開秘鑰協(xié)議已難以保障信息

2、傳輸安全。此外，將密鑰安全機(jī)制應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)還面臨密鑰分發(fā)與管理等問題。無線通信需求劇增、無線應(yīng)用越來越豐富以及人們對通信安全或隱私的重視使得無線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸安全備受關(guān)注。
　　近年來，信息論安全或物理層安全作為一種新的無線網(wǎng)絡(luò)通信安全思想被提出和廣泛研究。與基于密碼學(xué)的傳統(tǒng)加密機(jī)制不同，信息論安全利用無線信道屬性存在的固有差異以獲得無條件安全，即信息傳輸安全對竊聽節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力不做任何假設(shè)且無需授權(quán)收發(fā)機(jī)間共享安全密鑰。

3、　　事實(shí)上，無線媒質(zhì)開放性特征使無線通信面臨竊聽威脅的同時(shí)，也為增強(qiáng)通信安全提供了途徑，即節(jié)點(diǎn)協(xié)作。節(jié)點(diǎn)協(xié)作概念源于協(xié)同通信，通過在網(wǎng)絡(luò)中部署或引入附加節(jié)點(diǎn)，基于各種協(xié)作協(xié)議，為源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)傳輸提供額外的分集支路，以達(dá)到提高頻譜效率、增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋、降低節(jié)點(diǎn)能耗、提升傳輸可靠性的目的。存在竊聽節(jié)點(diǎn)的安全通信網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)協(xié)作具有更廣的含義和更靈活的協(xié)作策略，如傳輸無效信息的干擾協(xié)作與噪聲前傳、傳輸有效信息的源節(jié)點(diǎn)信號中繼等。另一方面，協(xié)作

4、節(jié)點(diǎn)也能輔助竊聽節(jié)點(diǎn)或協(xié)作節(jié)點(diǎn)自身就是竊聽源，即協(xié)作節(jié)點(diǎn)在協(xié)作中繼的同時(shí)也竊聽源-目的節(jié)點(diǎn)的保密通信。當(dāng)前針對信息論安全、協(xié)作無線竊聽信道安全通信研究已取得了一定成果，如點(diǎn)對點(diǎn)竊聽信道安全容量、多用戶竊聽信道安全容量域及部分協(xié)作無線竊聽信道安全通信信號處理、傳輸協(xié)議與資源分配等。本文圍繞協(xié)作無線竊聽信道安全通信與功率分配問題展開研究，重點(diǎn)討論3種協(xié)作無線竊聽信道安全通信傳輸協(xié)議和功率分配策略，具體包括協(xié)作干擾并行認(rèn)知協(xié)作竊聽信道傳輸協(xié)議

5、及功率分配、非信任中繼協(xié)作無線竊聽信道正交與非正交傳輸協(xié)議及功率分配和多用戶非信任中繼協(xié)作無線竊聽信道傳輸協(xié)議及功率分配。
　?、籴槍Σ⑿姓J(rèn)知協(xié)作竊聽信道安全通信場景，研究有/無干擾器協(xié)作以最大化系統(tǒng)安全速率為目標(biāo)的功率分配。首先討論無干擾器協(xié)作認(rèn)知發(fā)射機(jī)功率分配，分析認(rèn)知發(fā)射機(jī)最優(yōu)功率分配策略，并提出一種基于認(rèn)知發(fā)射機(jī)功率離散化機(jī)制和0-1多維背包問題貪婪求解思想的次優(yōu)算法。該次優(yōu)算法復(fù)雜度相對于最優(yōu)功率分配而言對主用戶網(wǎng)絡(luò)干擾

6、約束變化不敏感。鑒于無干擾器協(xié)作最優(yōu)功率分配存在部分資源浪費(fèi)，進(jìn)一步討論干擾器協(xié)作下并行認(rèn)知竊聽信道安全通信及聯(lián)合認(rèn)知發(fā)射機(jī)和協(xié)作干擾器功率分配。由于認(rèn)知發(fā)射機(jī)與協(xié)作干擾器同時(shí)傳輸將在主用戶接收機(jī)處形成耦合干擾，無法獲得聯(lián)合最優(yōu)功率分配閉式解，因而提出一種次優(yōu)求解機(jī)制。首先分析竊聽信道協(xié)作干擾獲得安全速率增益的信道條件，然后推導(dǎo)固定竊聽子信道發(fā)射功率下最優(yōu)干擾功率分配；最后將提出的無協(xié)作干擾器功率次優(yōu)分配機(jī)制擴(kuò)展至有協(xié)作干擾器場景，提出

7、一種基于認(rèn)知發(fā)射機(jī)功率離散化的聯(lián)合功率分配算法（JTJP-GLA）。仿真結(jié)果表明，在大多數(shù)場景中引入?yún)f(xié)作干擾器并基于 JTJP-GLA聯(lián)合優(yōu)化認(rèn)知發(fā)射機(jī)與干擾器功率能顯著提升認(rèn)知用戶網(wǎng)絡(luò)的安全速率和資源利用率，在最壞情況下，引入?yún)f(xié)作干擾器不能帶來安全速率提升，但執(zhí)行JTJP-GLA仍能獲得漸進(jìn)無協(xié)作干擾器最優(yōu)算法的性能。
　　②針對非信任中繼協(xié)作竊聽信道安全通信場景，研究竊聽信道安全增強(qiáng)傳輸協(xié)議及最大化系統(tǒng)安全速率的聯(lián)合源-中繼/

8、聯(lián)合源-中繼-目的節(jié)點(diǎn)功率分配。首先，基于傳統(tǒng)中繼信道非正交傳輸協(xié)議，提出兩種針對非信任中繼協(xié)作竊聽信道的非正交傳輸協(xié)議，即NAF-I和NAF-II協(xié)議。該協(xié)議利用非信任中繼節(jié)點(diǎn)半雙工約束條件，源節(jié)點(diǎn)在第二時(shí)隙與非信任中繼節(jié)點(diǎn)基于多址接入同時(shí)傳輸保密信息到目的節(jié)點(diǎn)，為目的節(jié)點(diǎn)提供無竊聽信號支路，增強(qiáng)傳輸安全。然后考慮目的節(jié)點(diǎn)無傳輸能力，以最大化系統(tǒng)安全速率為目標(biāo)，分別研究非信任中繼協(xié)作竊聽信道基于正交和非正交傳輸協(xié)議的聯(lián)合源-中繼節(jié)點(diǎn)功

9、率分配，并提出最優(yōu)功率分策略與基于交替源-中繼節(jié)點(diǎn)的功率優(yōu)化迭代算法。最后假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)有傳輸能力，分別研究非信任中繼協(xié)作竊聽信道基于正交和非正交傳輸協(xié)議最大化系統(tǒng)安全速率的聯(lián)合源-中繼-目的節(jié)點(diǎn)功率分配，并提出嵌套交替迭代功率分配算法。仿真結(jié)果表明，非正交傳輸協(xié)議相對于正交傳輸協(xié)議能顯著提高系統(tǒng)安全速率，在最壞情況下趨于正交傳輸協(xié)議。此外，相對于目的節(jié)點(diǎn)無傳輸能力，目的節(jié)點(diǎn)有傳輸能力在特定非信任中繼節(jié)點(diǎn)位置區(qū)域能獲得一定安全速率性能增益

10、。
　　③針對多個(gè)蜂窩邊緣移動用戶無直達(dá)鏈路到基站，但在上行鏈路有保密業(yè)務(wù)傳輸需求和非信任中繼協(xié)作通信場景，引入目的節(jié)點(diǎn)（基站）干擾機(jī)制實(shí)現(xiàn)用戶到基站的安全通信，研究用戶固定發(fā)射功率下以最大化系統(tǒng)安全速率為目標(biāo)的聯(lián)合中繼與基站功率分配?？紤]兩種場景：一是基站和非信任中繼具有獨(dú)立功率約束；二是基站和非信任中繼具有聯(lián)合功率約束。問題分析表明，兩種場景下的聯(lián)合功率分配都分別等價(jià)于具有組合性質(zhì)的聯(lián)合用戶接入控制與功率分配；在給定接入用戶集

11、合下功率分配問題非凸。為此，分別提出兩種基于最小安全速率用戶動態(tài)移除接入控制機(jī)制和基于交替功率優(yōu)化的次優(yōu)算法，并證明了算法收斂性。算法復(fù)雜度分析表明，聯(lián)合功率約束優(yōu)化算法相對于獨(dú)立功率約束優(yōu)化算法具有更低復(fù)雜度，但聯(lián)合功率約束場景不切實(shí)際，因而還提出了將聯(lián)合功率約束算法擴(kuò)展到獨(dú)立功率約束場景的方法。仿真結(jié)果表明，聯(lián)合功率約束算法（JoPowerOpt）具有最好的系統(tǒng)和安全速率性能，基于獨(dú)立功率約束的交替中繼與干擾功率優(yōu)化迭代算法（Opt