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时间反转多用户系统中保密和速率优化的预处理滤波器设计

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电子与信息学报 2020年第5期42卷 1253-1260页

作者：雷维嘉杨苗苗重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

利用无线信道的特征通过物理层技术实现信息的安全传输是保密通信的一种方式。时间反转传输特有的时空聚焦特性使其具有天然的抗干扰和抗窃听能力,在单发射天线条件下也能获得较好的保密传输性能。该文研究两用户时间反转下行多址安全... 详细信息

利用无线信道的特征通过物理层技术实现信息的安全传输是保密通信的一种方式。时间反转传输特有的时空聚焦特性使其具有天然的抗干扰和抗窃听能力,在单发射天线条件下也能获得较好的保密传输性能。该文研究两用户时间反转下行多址安全传输系统中,发送滤波器脉冲响应的优化问题。根据互惠原则将两个发送滤波器的联合优化问题转换为各滤波器的独立优化问题,进一步将其转换为寻找最大特征值及其对应的特征向量的问题,并通过迭代算法进行求解。仿真结果表明,针对保密和速率优化预处理滤波器后,系统的可达保密速率明显优于采用常规时间反转预处理滤波器时的系统和直接传输系统。

关键词：物理层安全时间反转保密和速率预处理滤波器

基于携能通信的非信任双向中继网络安全传输方案

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电子与信息学报 2020年第12期42卷 2908-2914页

作者：欧静兰余欢欢吴皓威马锐王柳彬重庆大学微电子与通信工程学院重庆400044 重庆大学通信与测控中心重庆400044 空天地网络互连与信息融合重庆市重点实验室重庆400044

针对非信任双向中继网络的能量受限和信息安全问题,该文提出一种基于无线携能通信(SWIPT)与人工噪声辅助的物理层安全传输方案。该方案中的非信任中继采用功率分割(PS)策略辅助合法用户进行保密通信,而全双工干扰机在进行能量采集的同... 详细信息

针对非信任双向中继网络的能量受限和信息安全问题,该文提出一种基于无线携能通信(SWIPT)与人工噪声辅助的物理层安全传输方案。该方案中的非信任中继采用功率分割(PS)策略辅助合法用户进行保密通信,而全双工干扰机在进行能量采集的同时发送人工噪声以确保系统安全。以最大化系统保密性能为目标,优化了中继的PS因子,推导了保密和速率的解析式及高信噪比条件下最佳PS因子的闭式解。特别针对非理想信道状态信息的情况,分析了信道估计误差对系统保密性能的影响。仿真结果验证了理论推导的正确性,并证明了所提的基于PS策略的干扰机协同传输方案相比采用时间切换(TS)策略或目的节点协同干扰的方案具有更优的保密性能。

关键词：无线携能通信功率分割非信任中继保密和速率人工噪声

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多波束卫星通信系统中的物理层安全传输算法

电子技术应用 2014年第11期40卷 116-119页

作者：张杰熊俊马东堂国防科技大学电子科学与工程学院湖南长沙410073

为了提高卫星通信系统的安全性,将物理层安全技术应用到多波束卫星通信系统下行传输中。首先,建立了多波束卫星物理层安全通信系统模型。随后,以系统最大化保密和速率为目标,介绍了迫零(Zero-Forcing,ZF)和增强信漏噪比(Enhanced Signal... 详细信息

为了提高卫星通信系统的安全性,将物理层安全技术应用到多波束卫星通信系统下行传输中。首先,建立了多波束卫星物理层安全通信系统模型。随后,以系统最大化保密和速率为目标,介绍了迫零(Zero-Forcing,ZF)和增强信漏噪比(Enhanced Signal-to-Leakage-and-Noise Ratio,E-SLNR)两种波束成形算法。仿真结果表明,统一考虑了波束间干扰和窃听者信号泄漏影响的E-SLNR波束成形算法不仅不受限于天线数目,而且相比ZF算法获得了更好的安全性能。

关键词：多波束卫星通信系统物理层安全保密和速率迫零波束成形信漏噪比

基于无线携能通信的非信任中继网络物理层安全技术研究

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基于无线携能通信的非信任中继网络物理层安全技术研究

作者：余欢欢重庆大学

学位级别：硕士

在万物互联时代,爆发式增长的数据业务量和通信设备对数据传输速率和频谱效率提出了更高的要求。中继协作技术作为扩大覆盖范围、提高系统吞吐量的有效措施之一,在物联网中扮演着重要角色。通常,中继对接收信号进行放大或译码后再转发,... 详细信息

在万物互联时代,爆发式增长的数据业务量和通信设备对数据传输速率和频谱效率提出了更高的要求。中继协作技术作为扩大覆盖范围、提高系统吞吐量的有效措施之一,在物联网中扮演着重要角色。通常,中继对接收信号进行放大或译码后再转发,从而改善通信质量。然而,在金融、军事和政务等对信息安全要求较高的实际应用中,中继由于安全等级低而无权访问保密信息,被称为非信任中继。非信任中继在提供服务方面很可靠,但在信息安全方面却不能被信任,该节点极可能在处理信息的同时窃听保密信息,威胁系统安全。另一方面,工作在室外的中继节点通常由电池供能,频繁地充电或更换电池会破坏用户体验,且在条件恶劣的环境下不易实施。针对上述非信任中继网络的信息安全和能量受限问题,论文围绕物理层安全和无线携能通信（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT）技术展开,重点研究了双向中继网络和下行非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）协作系统的安全传输方案。主要的研究内容如下:（1）研究了物理层安全和传统中继协作网络的基础理论,总结了非信任中继网络中常见的物理层安全策略。阐述了双向中继网络和下行协作NOMA系统的信号传输过程,并描述了典型的SWIPT接收机结构和对应的SWIPT中继协作理论。（2）针对非信任双向中继网络,提出了一种基于SWIPT与人工噪声辅助的安全传输方案。该方案中的非信任中继采用功率分割（Power Splitting,PS）策略和放大转发（Amplify and Forward,AF）协议辅助合法用户实现保密通信,而全双工干扰机在进行能量采集的同时向外发送人工噪声以确保系统安全。在统计信道状态信息（Channel State Information,CSI）条件下,推导了闭式遍历保密和速率（Ergodic Secrecy Sum Rate,ESSR）的数学表达式及其下界。以最大化保密和速率（Secrecy Sum Rate,SSR）为目标,优化了中继的PS因子,给出了高信噪比条件下最佳PS因子的闭式解。特别针对非理想的CSI,分析了信道估计误差对系统SSR的影响。仿真结果验证了理论推导的正确性,并表明与采用时间切换策略或目的节点协同干扰的方案相比,所提的基于PS策略的干扰机协同传输方案实现的安全传输速率更优。（3）针对下行NOMA非信任中继协作网络,提出了一种基于SWIPT与目的节点协同干扰的物理层安全传输方案。该方案中的中继采用PS策略和AF协议辅助蜂窝边缘的NOMA用户进行合法通信,同时通过用户向中继发送人工噪声以确保系统安全。借助高斯-切比雪夫、高斯-拉盖尔积分公式和指数积分等数学工具,推导了高信噪比条件下闭式ESSR的下界。在瞬时CSI条件下,以最大化SSR为目标,优化了中继的PS因子,并给出了最佳PS因子的闭式表达式。特别针对非理想串行干扰消除的情况,分析了残余干扰信号对ESSR的影响。仿真结果验证了理论推导的正确性,并证明了与传统的正交多址接入相比,所提的SWIPT-NOMA方案能进一步提升系统的安全传输速率。

关键词：无线携能通信非信任中继物理层安全非正交多址接入保密和速率

MISO下行RSMA传输预编码方案及公有消息速率分配联合优化

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MISO下行RSMA传输预编码方案及公有消息速率分配联合优化

作者：李萍东南大学

学位级别：硕士

RSMA是近年来提出的用于提升MIMO传输性能的方法,它的基本思想是发射端将待发送消息划分为专有部分和公有部分,其中公有部分合并为一个整体,与专有部分在相同的时频资源内传输。论文围绕RSMA预编码矩阵以及公有消息速率拆分的联合优化... 详细信息

RSMA是近年来提出的用于提升MIMO传输性能的方法,它的基本思想是发射端将待发送消息划分为专有部分和公有部分,其中公有部分合并为一个整体,与专有部分在相同的时频资源内传输。论文围绕RSMA预编码矩阵以及公有消息速率拆分的联合优化问题展开了研究,并将其传输性能与传统的SDMA和NOMA传输方式进行了比较。论文主要工作如下:一、针对RSMA下行MISO传输,以最大化最小用户可达速率为目标,提出了RSMA预编码矩阵和公有消息速率拆分联合优化算法。主要工作包括:1)对问题所对应的数学优化模型,使用WMMSE方法将其转换为一个等价的最优化问题;2)对该等价优化问题,使用均衡变量、权重变量和预编码矩阵、公有消息速率分配交替优化的方法,提出了迭代算法,根据迭代算法的解可以得到原问题的解;3)分别在随机信道和固定信道这两种场景下,仿真比较了RSMA、SDMA和NOMA在最大化最小用户可达速率条件下三种传输方案的可达速率性能,发现RSMA的性能优于其他两种方案,SDMA和NOMA的性能在不同场景下各有优劣。二、针对RSMA下行MISO传输,以最大化最小用户能量效率为目标,提出了RSMA预编码矩阵和公有消息速率拆分联合优化算法。主要工作包括:1)针对问题对应的非凸优化模型,采用连续凸近似方法,提出低复杂度迭代算法;2)仿真比较了RSMA、SDMA和NOMA传输在最大化最小用户能量效率条件下三种传输方案的能量效率性能,发现RSMA的性能优于其他两种方案,SDMA和NOMA的性能在不同场景下各有优劣。三、针对RSMA下行MISO多用户协作传输场景,分别以最大化系统加权和速率和最大化最小用户可达速率为目标,提出了协作RSMA预编码矩阵、公有消息拆分和协作传输时间分配的联合优化算法。主要工作包括:1)对两个优化问题,均采用连续凸近似方法进行凸逼近,提出了低复杂度的迭代求解算法;2)仿真比较了基于SCA方法求解的协作RSMA和基于WMMSE方法求解的协作RSMA、非协作RSMA、等时间分配协作RSMA及SDMA这几个方案的加权和速率及可达速率性能,发现:基于SCA方法和基于WMMSE方法求解协作RSMA问题取得的性能一致,但基于SCA方法的算法复杂度更低;对于加权和速率性能,协作RSMA优于或是等于非协作RSMA;对于和速率性能,两者相当;对比和速率性能及最小用户可达速率性能,协作RSMA总是优于或是等于非协作RSMA,这说明协作RSMA相较于非协作RSMA更加有助于用户间的公平性;等时间分配协作RSMA和SDMA的性能在不同场景下各有优劣。四、针对存在一个单天线窃听用户的RSMA下行MISO多用户协作传输场景,以最大化防窃听保密和速率为目标,提出了预编码矩阵和协作传输时间分配的联合优化算法。主要工作包括:1)提出将公有消息作为人工噪声用于防窃听的策略,并基于此想法建立了预编码矩阵和协作传输时间分配的联合优化数学模型;2)针对安全速率的不同取值场景,把该数学优化问题分解成四个子问题求解,且对这四个子问题都采用了连续凸近似方法进行求解;3)在防窃听场景下,以保密和速率为目标,仿真比较了协作RSMA、NOMA,以及非协作RSMA、NOMA和SDMA的防窃听性能,结果表明:对于同一种MA传输,协作和非协作的保密性能相当;RSMA的保密性能明显优于其他两种传输,SDMA的保密性能优于NOMA。

关键词：速率拆分预编码公有消息速率分配能量效率保密和速率

时间反转多用户安全传输系统预处理滤波器的优化

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时间反转多用户安全传输系统预处理滤波器的优化

作者：杨苗苗重庆邮电大学

学位级别：硕士

利用无线信道的特性、采用物理层技术实现信息安全传输的物理层安全是保密通信的一种方式。时间反转传输特有的时空聚焦特性使其具有天然的抗干扰和抗窃听能力,即使在单发射天线条件下也能获得较好的保密传输性能。本文研究时间反转多... 详细信息

利用无线信道的特性、采用物理层技术实现信息安全传输的物理层安全是保密通信的一种方式。时间反转传输特有的时空聚焦特性使其具有天然的抗干扰和抗窃听能力,即使在单发射天线条件下也能获得较好的保密传输性能。本文研究时间反转多用户下行传输系统中增强安全传输性能的方案设计和预处理滤波器的优化问题,论文的主要工作如下:1.研究两用户下行系统中,利用时间反转传输技术实现两用户信息相互保密的安全传输方案,并以最大化系统保密和速率为目标对发送预处理滤波器进行优化。根据互惠原则将两个发送滤波器的联合优化问题转换为两个滤波器的独立优化子问题,进一步将其转换为寻找最大特征值及其对应的特征向量的问题,并通过迭代算法进行求解。仿真结果表明,针对保密和速率优化预处理滤波器后,系统的可达保密速率明显优于采用常规时间反转预处理滤波器的系统和直接传输系统。2.研究存在窃听者时的多用户时间反转下行安全传输系统中,不同窃听信道状态信息条件下的人工噪声安全传输方案的设计和优化问题。在窃听信道状态信息未知时,将人工噪声置于合法信道的零空间,在每个用户信干噪比目标约束下最小化发送信号的功率,相应最大化人工噪声功率,使窃听者的拦截速率最小化。通过半定松弛将优化问题转换为半定规划问题并进行求解。在窃听信道状态信息已知时,以最大化系统的保密和速率为目标,联合优化发送预处理滤波器和人工噪声。通过半定松弛和一阶泰勒近似将优化问题转换为凸优化问题,并通过迭代算法进行求解。仿真结果表明,优化后的传输方案的保密和速率明显优于采用常规时间反转预处理滤波器及其辅助了人工噪声的方案。

关键词：物理层安全时间反转保密和速率预处理滤波器人工噪声

MIMO全双工双向通信系统中的物理层安全技术研究

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MIMO全双工双向通信系统中的物理层安全技术研究

作者：周洋重庆邮电大学

学位级别：硕士

信息传输的安全性是通信系统的重要性能指标。物理层安全以信息论为基础,利用无线信道的随机性和时变性实现信息的安全传输。多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术可显著提高系统的传输容量,也为物理层安全传输提... 详细信息

信息传输的安全性是通信系统的重要性能指标。物理层安全以信息论为基础,利用无线信道的随机性和时变性实现信息的安全传输。多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）技术可显著提高系统的传输容量,也为物理层安全传输提供了资源。全双工技术可同时同频收发信号,能有效提高系统的频谱效率,且全双工系统双向同时收发有助于提高信息传输的安全性。本文对存在残余自干扰的MIMO全双工双向通信系统中,合法节点在接收信息的同时向对方发送信息,并发送人工噪声干扰窃听节点的物理层安全方案的优化问题进行研究,论文的主要工作如下:1.针对合法信道状态信息已知,而窃听信道状态信息仅统计分布已知的情况,首先推导出系统平均保密和速率及其下界的闭合表达式,在此基础上,以最大化平均保密和速率的下界为目标,对两节点的信息信号与人工噪声的功率分配因子、信息信号的功率分配矩阵进行联合优化。采用迭代的方法进行优化,每轮迭代中,先固定前者,优化后者,再固定后者,优化前者。使用凹/凸函数差（Difference of Concave/Convex,DC）规划算法优化信息信号功率分配矩阵,使用遗传算法优化信息信号与人工噪声的功率分配因子。对所提方案进行了仿真验证,证明理论推导正确,优化算法能有效地提高系统的平均保密和速率。2.针对合法信道、窃听信道的信道状态信息已知,分别在获得的信道矩阵准确和存在偏差两种情况下,对信息信号和人工噪声的预编码矩阵进行优化。针对信道状态信息完美的场景,构造以最大化保密和速率为目标的优化问题,并将其转化为两个上凸函数之差的形式,使用DC规划优化信息信号与人工噪声的预编码矩阵。针对信道状态信息存在随机偏差的场景,使用最差准则建模信道,利用加权最小均方误差算法对信息信号以及人工噪声的预编码矩阵进行鲁棒设计。仿真验证优化算法能有效提高系统保密和速率。

关键词：物理层安全 MIMO 全双工双向通信保密和速率

智能反射表面辅助通信系统的物理层安全技术研究

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智能反射表面辅助通信系统的物理层安全技术研究

作者：宋振远重庆邮电大学

学位级别：硕士

物理层安全是以信息论为基础,利用无线信道的时变性和随机性实现信息的保密传输。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术利用多天线带来的空间增益,可显著提高通信系统的通信容量,同时多天线技术能够利用波束赋形使得... 详细信息

物理层安全是以信息论为基础,利用无线信道的时变性和随机性实现信息的保密传输。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术利用多天线带来的空间增益,可显著提高通信系统的通信容量,同时多天线技术能够利用波束赋形使得发送波束更加集中且具有一定的方向性,这为物理层安全传输提供了新思路。智能反射表面(Intelligent Reflecting Surfaces,IRS)作为一种由大量具有低成本和节能效益的无源反射元件构成的新型超材料平面阵列,可通过改变电磁传播环境,使得反射信号与直接链路信号建设性地叠加,不但能有效地提高系统的频谱效率,而且IRS可控制入射信号的反射方向,这将有助于提高信息传输的安全性。在目前关于物理层安全的分析中,主要集中在发送端是多天线,接收端是单天线或多天线的情况,处理问题的方法主要有半定松弛方法和优化最小化的方法,虽然上述两种方法可提高物理层安全的性能,但复杂度较高。因此,本文针对IRS辅助通信系统的安全问题展开研究,论文的主要工作如下:1、IRS辅助的多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)系统的物理层安全设计针对IRS辅助的MISO通信系统,在发送端已知全部信道状态信息的条件下,推导出系统平均保密和速率的表达式。由于该表达式为波束赋形矢量和IRS相移矩阵的耦合形式,因此提出采用交替迭代的方法对波束赋形矢量和IRS相移矩阵进行交替优化设计。首先,固定IRS相移矩阵,采用求广义瑞利熵的方法优化波束赋形矢量,然后,固定波束赋形矢量,采用丁克尔巴赫算法将分式问题转化为非分式问题,接着利用基于黎曼流形的共轭梯度下降算法优化IRS相移矩阵。对所提方案进行了仿真验证,证明优化算法可有效提高系统的平均保密速率。2、IRS与人工噪声辅助的MIMO系统物理层安全设计针对IRS辅助的MIMO通信系统,同时考虑在该系统的发送信号中混入人工噪声矢量以进一步提升物理层安全性能。针对发送方已知完美的信道状态信息的场景,构造以最大化保密速率为目标的优化问题,并基于均方误差准则,将该优化问题等价转换为三变量耦合的优化问题。同样采用交替迭代的方法进行优化。首先,固定IRS相移矩阵,利用凸优化中的内点法优化波束赋形矩阵和人工噪声协方差矩阵,然后,利用基于黎曼流形的共轭梯度下降算法优化IRS相移矩阵。仿真验证了IRS技术与人工噪声相结合的方法可有效提高系统的保密和速率。

关键词：物理层安全智能反射表面人工噪声 MIMO 保密和速率