基于人工噪声辅助的物理层安全通信系统峰均比研究

摘要

随着计算机技术的快速发展，以密码学为基础的上层加密技术面临严峻的挑战。为了确保无线通信系统中传输信息的安全性能，物理层安全成为信息安全领域一个新的研究热点。人工噪声辅助的物理层安全通信技术是利用多天线收发增加无线通信信息传输过程中的安全性能的经典方法，该技术通过在期望信道的零空间发射人工噪声来降低窃听信道的信道容量，从而提高系统的安全信道容量来确保无线通信信息在物理层中的安全性能。现有的研究文献从不同的方面详细论述了人工噪声辅助物理层安全通信系统这一技术的性能，如通信信号与人工噪声信号的功率分配问题、收发天线数目问题以及协作方式的人工噪声辅助方式等。但现有的研究忽略了人工噪声辅助的物理层安全通信系统中发射信号高峰均比的特性，本文针对这个问题展开做出了如下三个方面的研究：
　　（1）现有的人工噪声辅助的物理层安全通信系统的研究都是在发射系统放大器门限无穷大的理想情况下研究系统的安全信道容量，本文从实际系统放大器存在门限的角度分析了人工噪声辅助物理层安全通信信号峰均比的互补累积分布以及放大器门限对于系统安全信道容量的影响，从而说明系统降低发射信号峰均比特性的必要性。
　　（2）本文提出了一种基于噪声子空间旋转不变性的发射信号峰均比降低算法，利用发射机产生的噪声子空间旋转不影响噪声子空间与期望信道零空间的正交性和对窃听接收机干扰性能这一特性来降低发射信号的峰均比，并且基于差分遗传算法求解出不同噪声子空间对应的旋转角度的最优解。但算法搜索的维度随着发射天线数的增加而增加，发射机计算负担急剧增加。为了降低算法的复杂度方便系统的工程实现，本文同时给出了一种基于部分旋转角度的次优算法，利用有限的角度集合减低发射信号的峰均比特性。
　　（3）现有的方向调制信号噪声子空间功率分配都是等功率分配的，改变不同噪声子空间的功率分配有利于降低发射信号的峰均比特性。本文提出了一种基于凸优化算法的噪声子空间功率分配发射信号峰均比降低算法。首先建立以最小化峰均比为目标函数噪声子空间功率分配系数为可行域的非凸优化问题；针对该凸优化问题，我们通过分式规划，DC规划等数学方法将其转化为求解一系列的凸的子问题，从而逼近原非凸问题的解；针对约束条件是非凸的，我们通过线性约束逼近该非凸约束，从而通过非凸问题的三重优化算法分配噪声子空间的功率，达到优化发射信号的峰均比特性的目的。

目录

声明

专用术语注释表

第一章 绪论

1.1课题研究的背景与意义

1.2 人工噪声辅助物理层安全通信综述

1.3 本文所作工作与安排

第二章 人工噪声辅助物理层安全通信系统

2.1人工噪声辅助的物理层安全通信系统模型

2.2人工噪声辅助物理层安全通信系统的峰均比问题

2.3本章小结

第三章 基于噪声子空间旋转的峰均比降低算法

3.1人工噪声辅助物理层安全通信峰均比降低算法

3.2数值仿真性能及其分析

3.3本章小结

第四章 基于噪声子空间功率分配的峰均比降低算法

4.1基于噪声子空间功率分配的峰均比降低算法

4.2数值仿真性能及其分析

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.2展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢