基于协作的无线窃听信道安全通信与功率分配

摘要

无线媒质的广播特性致使任何在发射机覆盖范围内的通信节点都可能捕获该发射机的传输信号，无线通信面临着窃听威胁。有线网络对抗信息窃听的主要手段是依靠物理层以上各层制定的协议机制，如在应用层广泛使用的加密机制与公开密钥协议，基本前提是假设物理层传输准确无误。加密机制保证信息安全传输的核心是窃听节点在未知加/解密密钥下解密的计算不可行。随着处理器计算能力的提高、量子计算机以及各种加密破解算法的出现，现有的各种加密机制或公开秘钥协议已难以保障信息传输安全。此外，将密钥安全机制应用到无线网络时还面临密钥分发与管理等问题。无线通信需求剧增、无线应用越来越丰富以及人们对通信安全或隐私的重视使得无线网络信息传输安全备受关注。
　　近年来，信息论安全或物理层安全作为一种新的无线网络通信安全思想被提出和广泛研究。与基于密码学的传统加密机制不同，信息论安全利用无线信道属性存在的固有差异以获得无条件安全，即信息传输安全对窃听节点计算能力不做任何假设且无需授权收发机间共享安全密钥。
　　事实上，无线媒质开放性特征使无线通信面临窃听威胁的同时，也为增强通信安全提供了途径，即节点协作。节点协作概念源于协同通信，通过在网络中部署或引入附加节点，基于各种协作协议，为源节点到目的节点传输提供额外的分集支路，以达到提高频谱效率、增加网络覆盖、降低节点能耗、提升传输可靠性的目的。存在窃听节点的安全通信网中，节点协作具有更广的含义和更灵活的协作策略，如传输无效信息的干扰协作与噪声前传、传输有效信息的源节点信号中继等。另一方面，协作节点也能辅助窃听节点或协作节点自身就是窃听源，即协作节点在协作中继的同时也窃听源-目的节点的保密通信。当前针对信息论安全、协作无线窃听信道安全通信研究已取得了一定成果，如点对点窃听信道安全容量、多用户窃听信道安全容量域及部分协作无线窃听信道安全通信信号处理、传输协议与资源分配等。本文围绕协作无线窃听信道安全通信与功率分配问题展开研究，重点讨论3种协作无线窃听信道安全通信传输协议和功率分配策略，具体包括协作干扰并行认知协作窃听信道传输协议及功率分配、非信任中继协作无线窃听信道正交与非正交传输协议及功率分配和多用户非信任中继协作无线窃听信道传输协议及功率分配。
　　①针对并行认知协作窃听信道安全通信场景，研究有/无干扰器协作以最大化系统安全速率为目标的功率分配。首先讨论无干扰器协作认知发射机功率分配，分析认知发射机最优功率分配策略，并提出一种基于认知发射机功率离散化机制和0-1多维背包问题贪婪求解思想的次优算法。该次优算法复杂度相对于最优功率分配而言对主用户网络干扰约束变化不敏感。鉴于无干扰器协作最优功率分配存在部分资源浪费，进一步讨论干扰器协作下并行认知窃听信道安全通信及联合认知发射机和协作干扰器功率分配。由于认知发射机与协作干扰器同时传输将在主用户接收机处形成耦合干扰，无法获得联合最优功率分配闭式解，因而提出一种次优求解机制。首先分析窃听信道协作干扰获得安全速率增益的信道条件，然后推导固定窃听子信道发射功率下最优干扰功率分配；最后将提出的无协作干扰器功率次优分配机制扩展至有协作干扰器场景，提出一种基于认知发射机功率离散化的联合功率分配算法（JTJP-GLA）。仿真结果表明，在大多数场景中引入协作干扰器并基于 JTJP-GLA联合优化认知发射机与干扰器功率能显著提升认知用户网络的安全速率和资源利用率，在最坏情况下，引入协作干扰器不能带来安全速率提升，但执行JTJP-GLA仍能获得渐进无协作干扰器最优算法的性能。
　　②针对非信任中继协作窃听信道安全通信场景，研究窃听信道安全增强传输协议及最大化系统安全速率的联合源-中继/联合源-中继-目的节点功率分配。首先，基于传统中继信道非正交传输协议，提出两种针对非信任中继协作窃听信道的非正交传输协议，即NAF-I和NAF-II协议。该协议利用非信任中继节点半双工约束条件，源节点在第二时隙与非信任中继节点基于多址接入同时传输保密信息到目的节点，为目的节点提供无窃听信号支路，增强传输安全。然后考虑目的节点无传输能力，以最大化系统安全速率为目标，分别研究非信任中继协作窃听信道基于正交和非正交传输协议的联合源-中继节点功率分配，并提出最优功率分策略与基于交替源-中继节点的功率优化迭代算法。最后假设目的节点有传输能力，分别研究非信任中继协作窃听信道基于正交和非正交传输协议最大化系统安全速率的联合源-中继-目的节点功率分配，并提出嵌套交替迭代功率分配算法。仿真结果表明，非正交传输协议相对于正交传输协议能显著提高系统安全速率，在最坏情况下趋于正交传输协议。此外，相对于目的节点无传输能力，目的节点有传输能力在特定非信任中继节点位置区域能获得一定安全速率性能增益。
　　③针对多个蜂窝边缘移动用户无直达链路到基站，但在上行链路有保密业务传输需求和非信任中继协作通信场景，引入目的节点（基站）干扰机制实现用户到基站的安全通信，研究用户固定发射功率下以最大化系统安全速率为目标的联合中继与基站功率分配。考虑两种场景：一是基站和非信任中继具有独立功率约束；二是基站和非信任中继具有联合功率约束。问题分析表明，两种场景下的联合功率分配都分别等价于具有组合性质的联合用户接入控制与功率分配；在给定接入用户集合下功率分配问题非凸。为此，分别提出两种基于最小安全速率用户动态移除接入控制机制和基于交替功率优化的次优算法，并证明了算法收敛性。算法复杂度分析表明，联合功率约束优化算法相对于独立功率约束优化算法具有更低复杂度，但联合功率约束场景不切实际，因而还提出了将联合功率约束算法扩展到独立功率约束场景的方法。仿真结果表明，联合功率约束算法（JoPowerOpt）具有最好的系统和安全速率性能，基于独立功率约束的交替中继与干扰功率优化迭代算法（OptROptJam）次之，而基于联合功率约束扩展的独立功率约束算法（ExJoPowerOpt）的系统和安全速率性能取决于场景参数。

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英文摘要

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1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 无线窃听信道安全通信研究现状

1.3 本文研究内容和结构安排

2 窃听信道信息论安全

2.1 窃听信道编码与安全秘钥协议

2.2 窃听信道

2.3 协作与窃听信道

2.4 本章小结

3 并行认知窃听信道安全通信与功率分配

3.1 引言

3.2 系统模型与安全速率最大化

3.3 无协作干扰器功率分配

3.4 有协作干扰器功率分配

3.5 仿真结果与分析

3.6 本章小结

4 非信任中继协作窃听信道安全通信与功率分配

4.1 引言

4.2 系统模型与信号模型

4.3 类型I协议安全速率与功率控制

4.4 类型II协议安全速率与联合功率控制

4.5 仿真结果与分析

4.6 本章小结

5 多用户非信任中继协作窃听信道安全通信与功率分配

5.1 引言

5.2 系统模型与协作协议

5.3 独立功率约束联合功率分配

5.4 联合功率约束联合功率分配

5.5 仿真结果

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士期间发表的论文及获权发明专利目录

B. 作者在攻读博士期间参加的科研项目