基于博弈论的干扰窃听信道物理层安全传输策略研究

摘要

无线信道的广播特性使得窃听者能够在不被发现的情况下获取合法信息，因此无线通信面临巨大的安全挑战。近年来，利用无线信道的物理特性来保障通信安全的无线通信物理层安全成为国际上的研究热点。人工加扰是物理层安全的有效实现方式之一，通过在发送信号时添加人工噪声恶化窃听信道，实现安全通信。目前对人工加扰的研究多假定干扰节点会无偿的帮助通信链路进行安全通信，然而实际网络中由于干扰节点的“自私性”，不会无偿提供帮助，因此需要设计合理的激励机制促使干扰节点参与通信过程。与此同时，人工干扰在恶化窃听者信道条件的同时，也会对其他通信链路造成不利影响，因此需要对网络中的人工干扰进行合理的控制。
　　本文利用博弈论研究无线网络中人工干扰的功率控制问题，主要工作包括:
　　(1)针对由一个发送节点、一个接收节点、一个窃听节点和一个干扰节点组成的四节点窃听网络模型，利用博弈论构建了通信链路和干扰节点的Stackelberg博弈，推导了通信链路最优干扰功率的闭式解，在此基础上提出了求解Nash均衡的交叉迭代算法。仿真实验表明，通信链路购买的干扰功率存在最优解，干扰节点在给定的效用函数下倾向于帮助通信链路。
　　(2)将上述研究推广到更为复杂的网络场景，研究了两发送节点、两接收节点、两干扰节点和单个窃听节点组成的七节点、双链路网络节点的安全性问题。考虑到问题的复杂性，将双链路网络的博弈问题拆分为两层博弈模型，第一层是通信链路与干扰节点间的博弈，第二层是通信链路间的博弈。通过对两层博弈模型的构建与分析，推导了双通信链路网络各节点间博弈的Nash均衡。
　　(3)进一步针对(2)中的两层博弈进行了具体设计。对第一层博弈，构建了通信链路和干扰节点间的不完信息博弈，通过对通信链路和友好干扰节点之间的不完全信息博弈进行海萨尼转换，提出了混合策略Nash均衡闭式解求解方法。对第二层博弈，构建了两条通信链路间的“二人”博弈，并在非合作博弈和合作博弈框架下对双链路网络中人工干扰的功率控制问题进行了理论分析。大量仿真实验表明，通过对双通信链路网络的人工干扰功率进行控制，可以有效提高系统的效用和公平性，降低人工噪声对系统的不利影响。
　　本文利用博弈论原理研究了无线网络中人工干扰的功率控制问题，有助于促进人工干扰技术在无线通信领域的实用化，具有一定的前瞻性和实用性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文组织结构

2 博弈论基础和物理层安全概述

2．1 博弈论基础

2．1．1 博弈论的发展

2．1．2 博弈论理论框架

2．1．3 博弈模型

2．2 无线物理层安全概述

2．2．1 物理层安全问题描述

2．2．2 人工加扰技术介绍

2．3 本章小结

3 单通信链路网络的干扰策略研究

3．1 系统模型

3．2 通信链路和干扰节点的Stackelberg博弈

3．2．1 博弈问题描述

3．2．2 博弈问题求解

3．3 仿真结果与仿真分析

3．4 本章小结

4 双通信链路网络的干扰策略研究

4．1 双通信链路网络模型

4．2 双链路网络通信链路与干扰节点的博弈

4．2．1 不完全信息博弈

4．2．2 海萨尼转换

4．2．3 博弈问题求解

4．3 双链路网络通信链路间的博弈

4．3．1 通信链路非合作博弈

4．3．2 通信链路合作博弈

4．4 仿真结果与仿真分析

4．5 本章小结

5 结论

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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