基于人工噪聲的物理層信道安全及功率優(yōu)化研究.pdf

1、自Claude Shannon創(chuàng)立信息論以來(lái)，對(duì)保密通信的研究工作大量增加，使用密鑰處理傳輸信息一度成為保障安全通信的主流方式。但隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，惡意竊聽(tīng)者（Eve）也能輕易擁有強(qiáng)大的集群計(jì)算能力，此時(shí)傳統(tǒng)的密鑰加密方法開(kāi)始顯得力不從心，于是研究者們把目光投向了物理層通信安全技術(shù)。不同于密鑰加密方式，處于物理層的安全通信技術(shù)，既可以從信息論的角度出發(fā)，推導(dǎo)計(jì)算正值安全容量來(lái)保證通信的絕對(duì)安全，也可以從信號(hào)處理的角度考慮，對(duì)發(fā)送信號(hào)

2、進(jìn)行預(yù)處理，如疊加人工噪聲（AN）來(lái)增加信道安全容量。時(shí)至今日，物理層信道安全及由此課題衍生出的信道功率優(yōu)化分配方法，已成為通信安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。面對(duì)日益突出的通信安全問(wèn)題，如何正確有效的尋找出信道模型的最優(yōu)功率分配方案，也已經(jīng)成為有重要意義且極富挑戰(zhàn)性的前沿科研工作。
　　本文研究了基于AN方法的物理層多類(lèi)信道安全及功率優(yōu)化分配問(wèn)題，提出了對(duì)應(yīng)的提高物理層通信信道安全效能的方案以及優(yōu)化信道功率分配的算法，經(jīng)過(guò)全面深入的系統(tǒng)性分

3、析研究，本文主要的研究?jī)?nèi)容，可歸納為如下三個(gè)方面：
　　1．研究了帶有單個(gè)Eve的廣播（BC）通信信道（BCE）的安全通信問(wèn)題，根據(jù)保密達(dá)界和疑惑度的概念提出并證明了BCE信道模型上保密達(dá)域的一個(gè)外部約束（OB）的存在性，進(jìn)一步證明了此OB緊于用圖論中max-flow min-cut定理得到的結(jié)果，證明了本文所提OB的意義；研究了存在主動(dòng)攻擊者的多入單出（MISO）信道安全通信問(wèn)題，以攻擊者的角度模擬攻擊情境并且在無(wú)線環(huán)境中建立模

4、型，利用平均互信息作為數(shù)學(xué)描述量證明該模型中主動(dòng)攻擊的效果，定義了平均互信息損失速率這個(gè)安全量度指標(biāo)，用其衡量主動(dòng)攻擊下信道的通信能力，運(yùn)用基于預(yù)編碼的空間連接方法在理論上解決了MISO無(wú)線信道在本文提出的主動(dòng)攻擊情境下安全通信的問(wèn)題；研究了當(dāng)發(fā)送者（Alice）天線數(shù)目受限，無(wú)法制造額外冗余時(shí)，單入單出（SISO）信道的安全通信問(wèn)題，提出一種新型的2-階段雙側(cè)AN發(fā)送方法，解放了實(shí)際環(huán)境中有可能對(duì)Alice天線數(shù)目的約束。
　　

5、2．研究了多入多出（MIMO）信道產(chǎn)生 AN時(shí)的功率分配優(yōu)化問(wèn)題，在以達(dá)到最大信道安全容量的前提下，提出了類(lèi)似一維搜索的高效迭代算法來(lái)搜尋對(duì)AN信號(hào)和發(fā)送信息信號(hào)之間的功率最優(yōu)配比，利用隨機(jī)矩陣?yán)碚摰玫搅诵诺腊踩萘肯陆绲囊粋€(gè)閉集表達(dá)式，進(jìn)一步證明了注水（WF）算法為本文情境下功率分配的最優(yōu)方案。
　　3．研究了信道互涉條件下傳統(tǒng)AN方法受到限制的問(wèn)題，定義了截獲度?、污染度?和信道危險(xiǎn)度?三個(gè)表征信道安全量度的指標(biāo)，得出?期望與

6、信道互涉度系數(shù)關(guān)系表達(dá)式，用其分析了信道互涉程度的大小對(duì)基于AN方法的多入單出單竊聽(tīng)者（MISOSE）信道通信安全性的影響，基于Ⅰ、Ⅱ類(lèi)病態(tài)問(wèn)題，選取其中最具代表性的多入多出多竊聽(tīng)者（MIMOME）和SISO信道對(duì)?進(jìn)行安全性分析，所得結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)建模信道時(shí)確定存在正的安全容量有一定指導(dǎo)意義。
　　本文工作的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)描述如下：
　　1．在研究BCE模型的保密達(dá)界方面，本文給出并證明了BCE模型的一個(gè)OB，通過(guò)與能夠確定信道O

7、B意義的門(mén)限條件，max-flow min-cut給出割集約束的比較，證明了本文給出的OB緊于此割集約束，通過(guò)與現(xiàn)有三種具有代表性的BC模型外部約束的比較，證明了本文提出的OB緊于或至少等于其他同類(lèi)型模型的OB。
　　2．在研究存在主動(dòng)攻擊的MISO信道安全性方面，本文突破常規(guī)的以攻擊者的角度來(lái)構(gòu)建主動(dòng)攻擊模型情境，首次用平均互信息作為數(shù)學(xué)描述量，并用平均互信息的比值定義平均互信息損失速率來(lái)表達(dá)本文所提主動(dòng)攻擊在特定模型情境中的攻

8、擊效果，提出基于預(yù)編碼的向量零空間（NS）連接方法應(yīng)對(duì)本文所提攻擊情境中MISO信道通信的安全問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算表明，本文所提的解決方案能有效防御本文設(shè)定的主動(dòng)攻擊。
　　3．在研究Alice天線數(shù)目受限的SISO信道安全通信問(wèn)題方面，本文提出了一種2-階段雙側(cè)AN發(fā)送的新方法，通過(guò)對(duì)合法接收者（Bob）一發(fā)一收天線的設(shè)定，在嚴(yán)重?cái)_亂Eve接收信息的情況下，保證了Bob對(duì)私密信息的正常接收。由理論推導(dǎo)顯示，本文所提方法與多協(xié)

9、作幫助者節(jié)點(diǎn)方法比較在功耗方面是有優(yōu)勢(shì)的，從而證明了本文所提方法能夠有效解放外部環(huán)境對(duì)Alice天線數(shù)目的限制，在實(shí)際情境中更具有普適性。
　　4．在研究使用AN方法的MIMO信道發(fā)送功率優(yōu)化分配方面，本文基于隨機(jī)矩陣?yán)碚?，得到?MIMO信道安全容量下界的一個(gè)閉集表達(dá)式，并證明 WF算法是本文所提情境中發(fā)送功率分配的最優(yōu)方法，為了搜尋AN信號(hào)和發(fā)送信號(hào)間的功率最優(yōu)配比來(lái)達(dá)到最大信道安全容量，本文提出類(lèi)似一維搜索的高效迭代算法，理

10、論推導(dǎo)及仿真實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果都表明，所提出的算法能夠迅速收斂，且證明了多天線信道方案較之其他的基于AN方法信道方案在信道安全容量方面有一定程度的提升。
　　5．在研究基于AN的MIMO信道中天線數(shù)量約束以及信道互涉條件下AN方法受到限制方面，本文提出了對(duì) Bob的多天線接收進(jìn)行整體性統(tǒng)一處理的MIX-AN方法，經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，證明了此方法不僅解放了Bob多天線對(duì)Alice天線數(shù)目的限制，而且增加了信道 NS的冗余維度數(shù)，從而有效保證了