惡意干擾下的物理層安全技術(shù)研究.pdf

1、物理層安全技術(shù)從無線信道的本質(zhì)屬性出發(fā)，為安全通信提供了有效的解決思路。然而，現(xiàn)有的物理層安全技術(shù)主要針對被動竊聽，當非法用戶主動發(fā)送惡意干擾時，它能同時增強竊聽性能和降低合法用戶的接收質(zhì)量，給物理層安全帶來了新的挑戰(zhàn)。針對惡意干擾下的物理層安全技術(shù)研究，目前還存在以下問題：1）缺乏抑制竊聽方導頻干擾的物理層安全傳輸方案，導致合法通信無法得到保障；2）針對單用戶場景下的相干干擾，缺乏有效的物理層安全傳輸方案，導致系統(tǒng)安全速率低。針對上述

2、問題，本文依托國家自然科學基金項目對惡意干擾下的物理層安全技術(shù)展開專門研究。
　　論文首先定量地分析了惡意干擾對系統(tǒng)安全性能的影響，從而獲取干擾威脅產(chǎn)生的根本因素和降低干擾性能的參數(shù)等重要結(jié)論。然后在所得結(jié)論的指導下，針對導頻干擾，提出了一種基于導頻圖案和人工噪聲的物理層安全傳輸方案；針對相干干擾，提出了一種基于連續(xù)零和博弈的物理層安全傳輸方案。主要研究內(nèi)容包括：
　　1、定量地分析了惡意干擾對系統(tǒng)安全性能的影響，為研究安全

3、傳輸方案提供指導思路：1）針對導頻干擾，分析干擾下的信道估計結(jié)果，并推導基于人工噪聲的安全速率公式，從而獲取導頻干擾的根本威脅為被干擾的信道估計結(jié)果是合法信道和竊聽信道的線性相加，提供的指導思路為：消除估計結(jié)果中的竊聽信道部分，從而降低導頻干擾的影響；2）針對相干干擾，推導了干擾下的安全速率公式，進一步分析系統(tǒng)噪聲和干擾者位置等參數(shù)對性能的影響，得出惡意干擾者的干擾能力隨著系統(tǒng)噪聲的增加而降低，提供的指導思路為：人為地增大“系統(tǒng)噪聲”，

4、從而降低惡意干擾者的相干干擾能力。
　　2、提出了一種基于導頻圖案和人工噪聲的物理層安全傳輸方案。根據(jù)性能分析中的指導思路，首先合法接收方根據(jù)協(xié)商的導頻圖案發(fā)送導頻信號，發(fā)送方在信道估計階段獲取竊聽信道的近似估計，并用其消除被干擾估計結(jié)果中的竊聽信道部分，從而降低導頻干擾的影響。然后，發(fā)送方根據(jù)獲取的信道狀態(tài)信息設計合理的預編碼矩陣，同時發(fā)送信號和人工噪聲，實現(xiàn)信號的安全傳輸。數(shù)值仿真表明當干擾功率為100mW時，本文所提方案下的

5、安全速率平均提高了1.34bit/s/Hz。
　　3、提出了一種基于連續(xù)零和博弈的物理層安全傳輸方案。根據(jù)性能分析中的指導思路，首先建立發(fā)送方和惡意干擾者之間以安全速率為目標函數(shù)的連續(xù)零和博弈模型：發(fā)送方通過同時發(fā)送源信號和結(jié)構(gòu)性噪聲提高安全速率，惡意干擾者通過發(fā)送相干干擾降低安全速率；然后根據(jù)信道狀態(tài)確定各自的策略集，并分析策略集對應的納什均衡；最后利用均衡解指導發(fā)送方合理分配源信號和結(jié)構(gòu)性噪聲的功率。數(shù)值仿真表明在給出的仿真條