協(xié)作認知無線電網絡中物理層安全問題研究.pdf

1、認知無線電技術可望解決頻譜資源利用率低下的問題，在過去數十年里得到了長足發(fā)展。協(xié)作認知無線電作為認知無線電技術和協(xié)作中繼傳輸技術的結合，受到了全球學術界的廣泛關注。在協(xié)作認知無線電網絡中，初級用戶租賃其頻譜供次級用戶使用，以期通過次級用戶的協(xié)作傳輸提高網絡性能。同其他無線通信網絡一樣，由于無線信道的廣播特性，協(xié)作認知無線電網絡面臨著竊聽威脅?，F有的網絡安全機制建立在網絡層之上，以密鑰加密的方式保證保密通信。然而，隨著竊聽者計算能力的提高

2、，現有加密機制的安全性能受到了沖擊。此外，由于協(xié)作認知無線電網絡自組織、低復雜度、資源受限等網絡特點，算法復雜度高的密鑰加密方式所必須的密鑰分配和密鑰管理在該網絡中難以部署實施。不同于密鑰加密方式，處于物理層的安全通信技術，可以充分利用無線信道固有的時變、隨機等特性，能夠從信息論的角度帶來額外的安全保障，是現有安全機制的重要補充。物理層安全擁有低復雜度、低能耗、無需密鑰生成分配等優(yōu)勢，特別適合應用于協(xié)作認知無線電網絡。然而，目前已有的物

3、理層安全方案所針對的網絡環(huán)境較為單一，在網絡結構復雜的協(xié)作認知無線電網絡中性能較差。同時，已有的物理層安全方案對于用戶合作機制未進行深入研究，在協(xié)作認知無線電網絡中的可推廣性和可實現性存在不足。本文針對上述內容，對協(xié)作認知無線電網絡中的物理層安全問題進行了深入詳細的研究，主要內容包括:
　　1.研究了協(xié)作認知無線電網絡中基于協(xié)作干擾的物理層安全問題?？紤]到網絡中用戶的協(xié)作特性，提出使用協(xié)作干擾技術的物理層安全方案，保證了網絡中初級

4、用戶和次級用戶通信的可靠性和安全性，具體而言:1）使用半定規(guī)劃理論，結合迫零波束成形技術，推導得出了網絡中各個節(jié)點的波束成形向量和解碼向量;2）使用幾何規(guī)劃方法，在全局功率約束條件下，優(yōu)化得出了網絡節(jié)點功率分配向量，獲得了安全容量的最優(yōu)解;3）研究了干擾源多選問題，使用聯(lián)盟博弈形成理論，根據合并-分裂規(guī)則和最大帕累托比較標準，提出了干擾源多選算法，得出了穩(wěn)定收斂的干擾源聯(lián)盟結構。
　　2.研究了協(xié)作認知無線電網絡中的干擾源-中繼節(jié)

5、點聯(lián)合選擇問題。認識到已有研究對于協(xié)作節(jié)點信道狀態(tài)信息瞬時已知的假設過于理想，本文考慮了僅可獲知協(xié)作節(jié)點信道狀態(tài)信息統(tǒng)計分布的情況，提出了基于最優(yōu)停止理論的干擾源-中繼節(jié)點聯(lián)合選擇方案，具體而言:1）將干擾源-中繼節(jié)點聯(lián)合選擇問題建模為最優(yōu)停止問題，綜合考慮網絡安全容量和時間效率，設計了停止收益函數;2）推導得出了每步觀測收益函數期望值，提出了最優(yōu)停止準則，給出了基于最優(yōu)停止理論的選擇算法，并證明了算法的收斂性質;3）證明了最優(yōu)觀測序列

6、的存在性，并使用動態(tài)規(guī)劃推導得出了次級用戶的最優(yōu)觀測序列，優(yōu)化了方案的性能。
　　3.研究了協(xié)作認知無線電網絡中的干擾源激勵問題。已有的研究假設協(xié)作節(jié)點無償的花費能量發(fā)送干擾信號，對于干擾源的激勵問題未予考慮?？紤]到協(xié)作認知無線電網絡中用戶的個人理性，本文提出了使用能量收集技術的干擾源激勵方案。此外，不同于已有研究，本文將竊聽者信道狀態(tài)信息已知的假設弱化為僅可獲知竊聽者部分信道狀態(tài)信息，具體而言:1）根據信道不確定范數約束模型，使