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电子与信息学报 2018年第10期40卷 2323-2330页

作者：许耘嘉黄开枝李军陈亚军国家数字交换系统工程技术研究中心郑州450002 中兴通讯股份有限公司上海200000

针对密集异构蜂窝网在非理想信道状态信息条件下的安全传输问题,该文分析了人工噪声对通信的可靠性和安全性的影响,在此基础上提出功率分配优化模型,在不同信道估计精度条件下给出了最优的功率分配因子。首先,考虑信道估计误差对合法信... 详细信息

针对密集异构蜂窝网在非理想信道状态信息条件下的安全传输问题,该文分析了人工噪声对通信的可靠性和安全性的影响,在此基础上提出功率分配优化模型,在不同信道估计精度条件下给出了最优的功率分配因子。首先,考虑信道估计误差对合法信号传输以及人工噪声泄露的影响,推导了典型通信链路的连通中断概率和安全中断概率。然后,在安全性和可靠性约束条件下建立功率分配优化模型以最大化系统安全吞吐量,并通过K维联合搜索算法得到每层网络的最优功率分配因子。最后,仿真结果表明系统设置最优功率分配因子时,人工噪声方案可提升约15%的安全吞吐量。

关键词：密集异构蜂窝网物理层安全信道估计误差人工噪声

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非理想情况下密集异构蜂窝网的物理层安全技术研究

非理想情况下密集异构蜂窝网的物理层安全技术研究

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作者：许耘嘉战略支援部队信息工程大学

学位级别：硕士

密集异构蜂窝网的广播特性使其面临被窃听的安全问题,物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术利用无线信道的唯一性、互易性等“指纹特性”来保障密集异构蜂窝网的安全通信。准确的信道状态信息(Channel State Information,CSI)... 详细信息

密集异构蜂窝网的广播特性使其面临被窃听的安全问题,物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术利用无线信道的唯一性、互易性等“指纹特性”来保障密集异构蜂窝网的安全通信。准确的信道状态信息(Channel State Information,CSI)是保证其安全通信的重要前提。实际中,密集异构蜂窝网节点非计划性部署和系统干扰复杂等特性,易导致信道估计非理想的问题。此外,信道估计算法的局限性、节点处理能力的差异性以及实际通信环境的不确定性等诸多因素也易导致信道估计不理想,影响物理层安全传输方案的设计。受限于网络动态变化的拓扑结构,传统网络中针对非理想CSI设计的安全传输方案无法直接应用于密集异构蜂窝网。具体来讲,针对非理想情况下密集异构蜂窝网的物理层安全研究,目前有以下问题亟需解决:1)缺乏理论研究的物理层安全分析框架;2)现有集中式多入单出(Multiple-input Single-output,MISO)网络中的物理层安全传输方案无法直接应用于密集异构蜂窝网。3)现有分布式协作网络中的物理层安全传输方案无法直接应用于密集异构蜂窝网。针对上述问题,本文考虑密集异构蜂窝网节点非计划性部署带来的网络拓扑动态变化,首先,建立了非理想情况下密集异构蜂窝网的安全分析框架;在此基础上,针对密集异构蜂窝网的集中式MISO网络和分布式协作网络,分别设计了非理想情况下基于人工噪声和多点协作传输(Coordinated Multipoint,CoMP)的安全传输方案。本文具体的研究内容及成果概括如下:1、建立了非理想情况下密集异构蜂窝网物理层安全分析框架。针对密集异构蜂窝网动态变化的拓扑结构,应用随机几何建模网络节点位置,在此基础上结合传统信道估计误差模型,给出实际信道与估计信道的关系。以安全中断概率为评价指标,推导了K层密集异构蜂窝网的安全中断概率对系统安全性能进行评估;分析了信道估计精度、微基站分布密度、窃听者密度、中断门限以及基站天线数量等系统参数对系统安全性能的影响;最后通过仿真验证了理论推导的正确性。2、针对密集异构蜂窝网集中式MISO网络,设计了信道估计误差条件下基于人工噪声的物理层安全传输方案,并给出了最大化系统安全吞吐量的功率优化算法。在拓扑结构随机变化的网络中应用人工噪声对窃听者进行干扰,同时考虑系统干扰以及估计误差的影响,通过设计不同信道估计情况下的人工噪声功率分配因子,提升系统安全吞吐量以保障安全可靠通信。在满足用户安全性和可靠性需求的条件下,给出了最大化系统安全吞吐量的发射功率优化模型,并应用K维联合搜索算法对每层网络的最优功率分配因子进行搜索。仿真结果表明,人工噪声方案可使系统的安全吞吐量提升约15%。3、针对密集异构蜂窝网分布式协作网络,提出了一种基于双门限优化的CoMP传输方案,并给出了最大化系统安全吞吐量的双门限优化算法。方案核心思想为协作基站的筛选,即仅允许信道状态好的基站参与CoMP协作。通过设计备选基站方案以及CoMP组网方案,选择符合安全可靠性需求的基站参与CoMP协作传输,减小信道估计误差对系统安全可靠性能的影响。在用户安全性和可靠性需求的约束条件下,给出了最大化系统安全吞吐量的双门限优化算法,并应用二维联合搜索算法对最优的双门限进行搜索。仿真结果表明,所提CoMP传输方案可使系统的安全吞吐量提升0.13 bit/s/Hz。

关键词：密集异构蜂窝网非理想信道估计物理层安全安全中断概率

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基于随机几何的密集异构蜂窝网认知干扰协调技术

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作者：郭欣然南京邮电大学

学位级别：硕士

密集异构蜂窝网络可以有效地提升系统容量,是未来蜂窝通信的重要形式,而同层与跨层干扰是影响密集网络潜能的主要障碍。认知无线电(Cognitive Radio)能够有效缓解密集蜂窝网络中的干扰问题。本文研究了小蜂窝基站感知信息对系统性能的作... 详细信息

密集异构蜂窝网络可以有效地提升系统容量,是未来蜂窝通信的重要形式,而同层与跨层干扰是影响密集网络潜能的主要障碍。认知无线电(Cognitive Radio)能够有效缓解密集蜂窝网络中的干扰问题。本文研究了小蜂窝基站感知信息对系统性能的作用,提出了两种频谱共享机制组合方案,将正交方式的跨层频谱共享机制分别和随机接入以及侦听接入方式的小蜂窝间同层频谱共享机制相结合,通过随机几何建模,推导符合中断约束条件时的活跃小蜂窝基站密度,并通过仿真分析比较所提频谱共享机制的性能。以上分析是在单信道场景进行的,而在实际小蜂窝网络中,可用信道数目远不止一个,并且每个小蜂窝接入用户数也存在较大的差异。本文研究并提出认知密集蜂窝网在多信道与不定承载用户数条件下的随机接入和侦听接入两种干扰协调方案,并利用随机几何工具分析这两种方案的系统性能。除此之外,不同于假设小蜂窝用户始终位于小蜂窝的边界,这里采用更一般的用户分布模型,因此得到的结果对用户位置的变化具有健壮性。在侦听接入方案中,本文基于随机几何工具,推导了密集蜂窝网中频谱效率与独享半径的分析表达式。根据推得的理论结果,利用一维数据搜索方法可以快速地得到最优独享半径,其可在频谱复用率与干扰协调之间做出一个最佳的权衡。仿真显示,提出的最优共享半径配合认知干扰协调方案可以获得比已有研究更优的频谱效率。

关键词：密集异构蜂窝网干扰协调认知接入随机几何频谱效率

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