融合多播服务的物理层安全技术研究

摘要

近年来，物理层服务融合(PHY-SI)技术在无线通信领域已经受到了很高关注。这项技术在物理层上将多播服务与保密服务合并成为一种集成的服务，以实现单次的通信传输。与传统的基于上层协议的服务融合方法相比，物理层服务融合通过合理地利用无线信道的物理特性，使得多种服务可以共享相同的频谱资源，因而极大地提升了频谱效率。然而，由于融合的服务相互耦合，不同服务的传输数据之间会造成相互干扰。因此，物理层服务融合技术中的一个关键问题是：如何在建立保密服务安全性的同时，保证不损失多播服务的质量？为解决这一问题，本文首次提出了“安全容量域最大化”(SRRM)这一概念，即建立双目标最大化问题，寻找同时最大化多播速率与安全速率的传输方法。依据这一主线，本文主要研究了以下几个问题：
　　1）首先，本文考虑了人工噪声(AN)协助式多输入单输出(MISO)系统下的服务融合传输优化问题。人工噪声的加入一方面可以提升安全性能，却可能会影响多播服务质量。本文的目标在于联合设计多播信息、保密信息与人工噪声的输入协方差矩阵，使可达安全速率域最大化并满足发送功率约束。这一SRRM问题是一个非凸的双目标最大化问题。为求解该问题，本文将该问题重构为了一个等效的标量最优化问题，并且提出了一种搜索算法寻觅原双目标最大化问题的Pareto最优点。等效的标量问题实际上是一个多播服务质量(QoMS)约束下的安全速率最大化(SRM)问题。进一步，本文指出该SRM问题虽然是非凸的，但可通过一种双层最优化方法解决，该方法包含了求解一系列的半正定规划(SDP)问题。接下来，本文讨论了多输入多输出(MIMO)信道下的SRRM问题。本文证明了之前使用的标量化方法依然适用于MIMO场景。对于生成的SRM问题，本文提出了一种次优的difference-of-concave(DC)最优化算法，寻找到了该问题的一个驻点解。
　　2)考虑到实际信道估计器的非完美特性，本文进一步考虑了非完美CSI下的发送优化问题。本文考虑了两种具有鲁棒性的SRRM模型，即最坏情况SRRM与中断受限SRRM。对于最坏情况SRRM问题，本文说明了该问题可以通过与完美信道状态信息(CSI)情形类似的标量化方法进行处理。对于生成的标量化问题，该问题是一个半无限的最坏情况SRM问题。本文给出了采用双层最优化思想与S-Procedure定理处理该问题的具体步骤，使原始的半无限问题转化为一个有限集问题。另一方面，由于涉及到中断概率约束，中断受限SRRM问题更加难以处理。该问题中的概率型约束无法转化为解析的形式，本文进而选择调用Bernstein不等式，试图寻找原SRRM问题的一个近似解。该近似解可以保证一定满足原始中断概率约束，因此是安全(或保守)的。此外，为了确保方案实现的高效性，本文还对两种模型下所得解的秩特性与算法的复杂度等进行了评估。
　　3)最后，为了减轻无线通信对能量日益增长的需求，本文还研究了物理层服务融合中的高能效传输设计问题。具体地，本文讨论了两种不同的能效折中问题，首先是安全能量效率与频谱效率的折中，即在保证两种服务的服务质量的前提下，寻找最大化安全能量效率的传输方案。由于问题的非凸性，本文提出了一种基于分数规划与DC规划的等效参数化重构，将原问题改变为了一系列凸问题。通过这种方法，最大的安全能量效率可通过一种根搜索方法得到。另一类折中是安全能量效率与多播能量效率之间的折中，即寻找最大化能量效率域的传输方案。该问题是一个非凸的双目标最大化问题，同时是对SRRM在能量效率上的扩展。本文采用了一种标量化方法将其转化为一个单目标问题。尽管该问题仍然是非凸的，本文指出了该问题可再次结合分数规划与DC规划进行迭代求解。

目录

声明

缩略词表

数学符号表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2物理层多播技术简介

1.3物理层安全技术简介

1.4物理层服务融合技术

1.5文献调研总结

1.6论文的研究内容和结构安排

第二章 融合多播服务的物理层安全发送预编码设计

2.1引言

2.2 MISO系统中的多播与保密信息预编码设计

2.3 MIMO系统中的多播与保密信息预编码设计

2.4本章小结

第三章 融合多播服务的物理层安全鲁棒性预编码设计

3.1引言

3.2基本误差模型

3.3有界误差模型下的发送预编码设计

3.4高斯分布误差模型下的发送预编码设计

3.5本章小结

第四章 面向能量效率最大化的多播与保密服务融合

4.1引言

4.2能量效率

4.3频谱效率与能量效率的折中

4.4不同服务之间能量效率的折中

4.5本章小结

第五章 全文总结

5.1本文贡献

5.2未来研究方向

致谢

参考文献

附录

A．命题2.1的证明

B．命题2.3的证明

C．命题3.1的证明

D．命题3.2的证明

攻读硕士学位期间的科研成果

学位论文评审后修改说明表