认知无线电系统中物理层安全传输方法研究

摘要

随着手持移动设备数量的飞速增长，频谱资源短缺的问题日益凸显。认知无线电技术被认为是当前能够有效解决频谱资源低利用率的重要方法之一。与此同时，认知无线电网络无线信道的广播特性以及主用户、认知用户在授权频段中并存的特性，为安全通信带来了更严峻的挑战。传统的无线通信安全主要依赖于高层的加密算法。然而在分布式网络中，由于密钥的管理和分发不易实施，而且计算能力有限的无线设备也不宜使用复杂的加密算法，使得传统的加密技术在无线网络中的应用遇到了困难。作为一种信息论意义上完美的安全手段，物理层安全为保障认知无线电网络的保密传输带来了新思路。物理层安全的基本思想是利用合法信道和窃听信道之间的差异性，为安全通信保驾护航。因此，研究认知无线电网络中的物理层安全传输技术具有重要的意义。
　　在认知无线电网络中，频谱感知是需要解决的首要问题。相别于其他无线通信系统，认知无线电网络中的认知用户为主用户的传输天然提供了中继和干扰的角色。由于认知用户使用了主用户的授权频段，作为回报认知用户愿意为主用户的安全通信提供协作。因此，本论文的研究重点就是利用认知用户带来的空域资源为主用户设计安全传输策略。总体上，本论文的主要贡献可以归结为如下几个方面:
　　1.从安全传输角度考虑，主用户为了防止非法用户窃听，会随机改变传输信息的状态。当主用户的状态在认知用户的传输帧时间内发生多次改变时，无论是对主用户的通信服务质量、认知用户的感知性能还是认知用户的吞吐量都会产生恶劣的影响。旨在解决上述问题，首先建立了一种基于主用户状态多次改变的多元感知假设模型，分析了主用户多状态改变对认知用户感知性能的影响。以认知用户的服务质量作为优化目标，构建了以认知用户吞吐量最大化的优化目标函数问题，同时为了保证主用户的服务质量，引入干扰温度作为限制条件，同时约束认知用户的总发送功率。仿真结果表明，与没有考虑主用户活跃性的系统模型相比，针对主用户多状态改变所提出的认知用户多功率分配方案使认知用户的吞吐量得到了有效提升。
　　2.对存在多个认知用户的协作认知无线电网络系统，研究了通过利用多用户增益增强主用户安全性能的问题。提出了两种多用户选择策略:一种称为最小干扰选择策略，另一种称为最大干扰速率选择策略。在最小干扰认知用户选择策略中，推导出了主用户可达遍历保密速率下界的闭合表达式，揭示了保密速率与干扰温度之间的关系，并分析了认知用户峰值功率对主用户保密性能的影响。理论结果表明，在高信噪比区域，若干扰温度门限值固定，多用户安全增益随着认知用户数的增大而提升。在最大干扰速率认知用户选择策略中，推导出了高信噪比区域主用户可达遍历保密速率的闭合表达式，揭示了多用户安全增益的标度律。仿真结果表明，本文所提出的两种认知用户选择策略均能使主用户的保密性能因多用户增益而得到明显提升。相对而言，从主用户的安全通信角度考虑，最大干扰速率选择策略是更佳的安全传输策略。
　　3.在协作认知无线电网络中，提出了进一步利用协作中继和协作干扰提升主用户安全性的安全传输策略。在本文假设的系统模型中，考虑了认知用户的自私性特性，为了能使认知用户为主用户提供协作干扰和协作中继，以保障安全传输通信，采用能量传输技术为协作干扰节点提供能源激励，并为协作中继节点提供授权频带使用权的激励策略，将认知用户的服务质量作为优化目标，以主用户的保密通信作为约束条件，通过传输时间的优化分配实现了认知用户传输速率的最大化。实验结果表明，在保证主用户安全通信的前提下，所有用户都可从协作中继与干扰中受益或不会因协作而有所损失，并使得认知用户的吞吐量也得到了一定的提高。
　　4.为了更充分利用由认知用户带来的空域资源以保障主用户保密通信，考虑了采用正交频分多址接入的认知无线电网络系统，根据子载波信道质量的不同，以主用户能否进行安全通信为考量依据，通过将子载波资源和功率资源进行优化分配，实现主用户保密速率最大化的目标。针对完全信道状态信息和部分信道状态信息两种情况，分别引入认知用户传输速率和保密中断概率为约束条件，以最大化主用户保密速率为目标函数，对应建立了联合子载波和功率分配的优化问题，并得到了功率分配的具体表达式。仿真结果证实了本文提出的联合子载波和功率分配的传输策略有效提升了主用户的保密速率，同时保证了认知用户的传输速率。

目录

声明

摘要

缩写符号对照表

1 绪论

1．1 引言

1．2 协作认知无线电

1．2．1 认知无线电概述

1．2．2 认知无线电技术面临的问题

1．2．3 协作中继技术概述

1．3 协作认知无线电网络的物理层安全技术

1．3．1 物理层安全的信息论基础

1．3．2 物理层安全性能指标

1．3．3 协作认知无线电网络物理层安全的研究现状

1．4 论文的研究内容和章节安排

2 防窃听场景下主用户状态改变对频谱感知的影响

2．1 认知无线电频谱感知及接入策略分析

2．1．1 认知无线电频谱感知策略

2．1．2 认知无线电频谱接入策略

2．2 安全约束场景下的频谱感知策略

2．2．1 系统模型

2．2．2 主用户活跃性对各种假设发生概率的影响

2．3 主用户活跃性对频谱感知性能的影响

2．4 基于主用户活跃性的功率分配优化策略

2．5 仿真结果与讨论

2．6 本章小结

3 增强主用户安全的认知用户选择策略

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3．基于最小干扰的认知用户选择策略

3．3．1 认知用户的选择策略

3．3．2 可达遍历保密速率

3．3．3 高信噪比区域的渐进分析

3．3．4 无干扰温度约束下的安全性能分析

3．4 基于最大干扰速率的认知用户选择策略

3．4．1 认知用户的选择策略

3．4．2 可达遍历保密速率

3．4．3 高信噪比区域下的渐进分析

3．5 仿真结果与讨论

3．6 本章小结

4 联合认知用户中继和协作干扰的主用户安全传输策略

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 联合认知用户中继和协作干扰的传输策略

4．3．1 系统信息交换过程

4．3．2 传输速率和保密传输速率

4．4 主用户和认知用户的最优时隙分配策略

4．4．1 中断性能分析

4．4．2 时间优化分配

4．5 仿真结果与讨论

4．6 本章小结

5 联合子载波和功率分配的认知用户协作安全传输策略

5．1 引言

5．2 系统模型

5．3 完全信道信息下的安全传输策略

5．3．1 主用户保密速率和认知用户传输速率

5．3．2 子载波和功率的联合分配

5．4 部分信道信息下的安全传输策略

5．5 仿真结果与讨论

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究结论

6．2 工作展望

参考文献

附录

个人简介

攻读博士期间取得的研究成果

致谢