多级中继窃听信道的物理层安全研究

作     者：张朋松 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王保云

授予年度：2015年

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：物理层安全 多级中继 窃听者 凸优化 

摘      要：采用广播的方式进行信息的传递是无线移动通信的一个非常重要的特性。在无线通信系统中,任何的通信参与者都相互独立地接收来自信源的信号,它们之间的相互合作使信息的传输变得更加便捷、高效。然而,这种传输方式也增加了信息被窃听的概率,对无线系统的信息安全传输带来了巨大的挑战。近年来的大量研究证明,采用中继协作可以很好地提高无线通信系统的安全性能。本文主要以信息理论为基础,研究了中继窃听信道的物理层安全问题。本文首先研究了基于解码转发策略的中继窃听信道,在系统总的发射功率一定的情况下,通过对信源的发送功率和中继波束向量进行联合优化,得到了系统的最优安全传输速率。本文重点研究了采用解码转发(DF)策略的两级中继窃听信道,并提出了两级中继窃听信道模型。在系统总功率受限的情况下,通多对信源功率和中继波束向量进行联合优化得到了系统的可达安全速率。并通过仿真比较了基于解码转发(DF)策略的一级中继窃听系统和两级中继窃听系统的最优安全传输速率。仿真结果也确实证明,当中继距离信源较远时,采用两级中继可以更好的协助发送者转发信息,获得比一级中继系统更高的安全性能。本文最后研究了窃听者信道状态信息未知情况下的两级中继窃听系统。因不知道窃听者的信道状态信息,本文提出了一种在中继处增加人工干扰噪声的安全方案。中继在协助转发信源信息的同时也发送人工的干扰噪声去迷惑潜在的窃听者,从而有效的提高系统的可达安全速率,提升系统的安全性能。仿真结果同样证明,当中继所处的位置远离信源时,采用两级中继可以获得更高的安全传输速率,更好的系统安全性能。本文采用的优化算法是以凸优化的理论为基础,对系统模型的优化问题进行求解。最初建立的优化问题模型都是非凸的,求解起来非常困难复杂。我们通过等价转换将这些非凸的优化问题变为半定规划问题(SDP),这就意味着这些优化问题已经得以解决,得到各系统的最优安全传输速率。