无线携能通信网络的物理层安全研究

摘要

当今世界，无线通信技术飞速发展，不断地改变着人们获取和发送信息的方式以及世界范围内信息的传递方式。但由于无线信道的开放特性，信息在传输的过程中极易受到非法用户的干扰或窃听，从而导致保密信息泄露。物理层安全技术利用无线信道的物理特征进行协议设计从而达到保密传输的目的，可以有效提高通信系统的整体安全性能。与此同时，组成无线通信网络的各类终端设备功能更强，工作强度更大，耗费的电量更多，能量不足成为网络服务质量提升的阻碍。无线携能通信网络通过能量采集技术向无线设备补充能量，可以有效延长无线网络的寿命。将物理层安全技术与无线携能网络相结合，既可以增强无线信息传输的安全性又可以缓解网络设备能量不足的问题，因此本文对无线携能通信网络的物理层安全性能展开研究，具体工作包括以下两个方面： 研究了不同物理层安全策略对无线携能通信网络安全性能的影响。首先，在无线携能通信网络中加入干扰节点，分析了人工噪声对系统安全性能的影响。理论分析和仿真结果表明，干扰节点的加入可以有效提高系统的安全性能。其次，考虑了源节点与窃听节点之间存在直传链路的场景，中继节点采用随机转发协议转发保密信息。分析表明，通过合理的协议设计，可以降低窃听节点译码成功的几率。最后，针对存在多个中间节点的无线携能通信网络，提出了一种中继与干扰节点的选择策略。本文推导得出了系统安全中断概率的闭式表达式，并通过仿真对理论结果进行了验证。仿真结果表明合理选择中继与干扰节点可以获得更好的安全性能。 针对包含多个供电基站和多个中间节点的无线携能通信网络，提出了一种联合中继与干扰节点选择的安全传输策略。首先，根据供电基站．中间节点之间的信道增益选择最优的供电基站。其次，通过综合考量供电基站一中间节点、中间节点．目的节点以及中间节点一窃听节点的信道增益选择出最佳的中继与干扰节点。最后，分析了系统的安全中断性能，推导得到了系统安全中断概率的闭式表达式，并通过仿真对理论结果进行了验证。仿真结果表明了本文提出的中继与干扰节点联合选择策略优于现有节点选择方案，并与穷举法获得的最佳策略性能接近。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状

1.2.1 物理层安全技术

1.2.2 无线携能通信网络

1.2.3 无线携能通信网络的物理层安全研究

1.3 研究内容及结构安排

2 物理层安全与无线携能网络的理论基础

2.1 物理层安全的理论基础

2.1.1 信息论基础

2.1.2 常用性能指标

2.2 无线携能网络的理论基础

2.2.1 射频能量采集技术的概念

2.2.2 射频能量源的特点

2.2.3 射频能量的传播模型

2.2.4 射频能量采集策略

2.2.5 能量采集器的工作模式

2.3 本章小结

3 不同策略对无线携能通信网络安全性能的影响

3.1 四节点无线携能通信网络

3.1.1 系统模型

3.1.2 性能分析

3.1.3 仿真结果

3.1.4 小结

3.2 人工噪声对无线携能通信网络性能的影响

3.2.1 系统模型

3.2.2 性能分析

3.2.3 仿真结果

3.2.4 小结

3.3 随机转发协议对无线携能通信网络性能的影响

3.3.1 系统模型

3.3.2 性能分析

3.3.3 仿真结果

3.3.4 小结

3.4 节点选择对无线携能通信网络性能的影响

3.4.1 系统模型

3.4.2 中继与干扰节点选择策略

3.4.3 仿真结果

3.4.4 小结

3.5 本章小结

4 联合中继与干扰节点选择的安全传输策略

4.1 系统模型

4.2 中继与干扰节点的选择策略

4.2.1 已有算法

4.2.2 最优中继与干扰节点的联合选择

4.3 仿真结果

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果