时间反转OFDM系统中增强安全性能的功率分配与人工噪声设计

时间反转技术特有的时空聚焦特性使其具有抗窃听能力.本文对提高时间反转正交频分复用系统安全性能的优化方案进行研究.首先,通过应用时间反转预滤波的时空聚焦特性来提高合法接收端相对于窃听端的信号强度;然后,以最大化保密速率为目标对子载波的功率分配进行优化.为进一步提升系统保密传输能力,利用循环前缀提供的自由度实现零空间人工噪声,在对窃听端形成有效干扰的同时,不对合法接收端造成影响.通过对子载波功率分配和人工噪声协方差阵进行联合优化,最大化系统的保密传输速率.仿真结果表明,所提优化方案能显著提高系统的保密速率.

混合可重构智能表面和人工噪声辅助的物理层安全通信

针对可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Reflecting Surface,RIS)辅助的物理层安全通信,该文设计了基于混合有源-无源RIS和人工噪声(Artificial Noise,AN)辅助的安全传输方案。考虑基站和RIS的功率约束以及RIS无源反射元件的反射系数恒模约束,以最大化系统安全传输速率为目标,构建基站发射波束成形、AN波束向量、RIS反射系数矩阵联合优化问题。使用交替优化(Alternating Optimization,AO)、权值最小均方误差(Weighted Minimum Mean Square Error,WMMSE)和半定松弛(Semi-definite Relaxation,SDR)算法,求解所构建的变量高度耦合的非凸优化问题。仿真结果表明,混合RIS辅助安全传输方案,能够有效提高系统的安全速率,与无源RIS相比,能够有效克服“双衰落”效应导致的安全速率降低,与有源RIS相比,具有更高的能量效率。

有源RIS-MISO系统人工噪声辅助物理层安全

针对可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)-多输入单输出系统安全传输中反射信道链路“双衰落”效应限制系统提高保密性的问题,提出了一种有源RIS与人工噪声结合的物理层安全方案。它以系统保密率最大化为目标,构建一个优化波束成形矩阵、人工噪声协方差矩阵和有源RIS反射系数矩阵的系统模型,并用交替优化解决非凸问题。此外,在联合优化波束成形矩阵与人工噪声协方差矩阵时,使用了一阶泰勒展开和半定松弛方法简化问题,然后通过内点法进行求解;在优化有源RIS反射系数矩阵时,联合半定松弛与最小化-最大化算法简化问题,同样采用内点法进行求解。仿真表明,有源RIS能有效克服“双衰落”效应影响,且引入的人工噪声能破坏窃听端信道,联合方案相较于现有方案有更高的保密性能。

信道估计误差下的深度人工噪声预编码生成方法

基于人工噪声的物理层安全通信系统,传统人工噪声通常采用推导得到的闭式表达式或最优化方法数值求解生成,要求输入准确的传输信道矩阵信息,才能保证通信系统的保密性。但实际环境中存在的信道估计误差会导致人工噪声预编码误差,从而降低通信系统保密容量。为此提出一种基于深度学习的人工噪声预编码生成方法,通过将有误差的信道估计信息作为输入,与无估计误差情况下传统数值求解得到的预编码矩阵进行拟合,训练得到可适应信道估计误差的深度神经网络。仿真表明,该方法在信道估计有误差时的保密性能与鲁棒性优于传统人工噪声生成系统;相比于其他深度学习方法在物理层安全的应用,所提方法具有更快的收敛速度。

基于可重构智能表面与人工噪声的空间调制安全传输方案

针对远场通信环境的不可控性和抗窃听能力不足,提出一种利用可重构智能表面重塑无线传播环境并通过人工噪声实现空间调制安全传输的方案。考虑到信道相位对信号质量的影响,调节可重构智能表面反射相位使得反射信号相位对齐,从而最大化接收空间调制索引天线的信噪比。全双工接收端在接收信息的同时发送映射在合法信道零空间上的人工噪声矢量干扰窃听者,基于中心极限定理和矩量母函数的近似方法,推导出系统保密速率和误码率的闭式表达式。在此基础上,以最大化保密速率为目标,对有用信息和人工噪声的功率分配进行优化。仿真结果表明,与传统空间调制系统相比,该方案在极低信噪比区域实现了高保密性能,配置可重构智能表面能够极大地改善远场的空间调制接收机的传输速率和误码率。

全双工电力线载波通信双人工噪声安全传输机制

由于信道的广播特性,电力线载波通信(PLC)极易受到窃听攻击。传统基于全双工(FD)的安全传输方案中只有接收端发射人工噪声(AN),在窃听方更靠近发射端时安全性能衰退。为了保障安全性,文中针对具有信道相关性的单入单出PLC系统提出了一种基于FD的双AN安全传输机制,该机制分为两阶段:第1阶段,合法收发端利用FD技术同时发射独立AN;第2阶段为机密信号传输阶段,发射端利用第1阶段的AN信号加密机密信号,接收端利用FD技术在接收信号的同时发射AN。在非独立同分布的对数正态衰落信道下对系统平均安全容量、安全中断概率、安全吞吐量进行理论分析,确定功率分配系数,并进行仿真验证。结果表明,所提方案对主信道时变性、主信道与窃听信道间的相关性具有鲁棒性。与传统基于FD的安全传输方案相比,所提方案在窃听方更靠近发射端时仍能提供较高的安全吞吐量。

人工噪声辅助MIMO系统下数据信号功率占比的误码率研究

针对多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)无线通信系统传输过程中的安全问题,提出了一种基于人工噪声辅助的安全传输方法。首先,建立人工噪声辅助MIMO系统的信道状态矩阵;其次,将信道状态矩阵进行奇异值分解,设计合理的预编码和人工噪声矩阵,从而显著提升MIMO系统的安全性。对于窃听节点的译码采用最大似然检测译码。仿真结果表明,利用MIMO系统信道信息的零空间矩阵,采用人工噪声进行信号加密,有效提高了潜在窃听节点的误码率,当合法信道质量降低时,通过降低分配数据信号功率系数来提高MIMO无线系统的窃听误码率。

IRS和人工噪声辅助的MIMO-SWIPT系统安全传输方案设计

针对多天线无线携能通信系统中能量收集节点作为潜在窃听者的信息安全问题,提出了一种智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)和人工噪声辅助的物理层安全传输方案。首先考虑发射功率、能量收集门限以及IRS单位模约束,以最大化系统安全速率为优化目标,在合法用户直射链路不可用的情况下,联合设计发射端波束赋形矩阵、人工噪声协方差矩阵以及IRS相移矩阵,建模一非线性多变量耦合的非凸优化问题;接着利用均方误差准则等价转换非凸目标函数,并利用连续凸逼近方法(Successive Convex Approximation,SCA)处理非凸的能量收集约束;最后基于交替优化框架,分别用拉格朗日对偶方法和基于价格机制的优化最小化(Majorization-Minimization,MM)算法求解发射端变量和IRS端变量。仿真结果表明,与现有方案相比,所提算法能够在保障能量收集需求的同时大幅度提升系统的安全性能。

基于主动智能反射面和人工噪声辅助的MISO无线安全传输

为实现无线通信系统的安全传输,面向多输入单输出(Multiple Input Single Output,MISO)系统,提出了基于主动智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)和人工噪声辅助的安全传输方案。其中,主动IRS被放置在基站和合法用户之间,用以增强基站到合法用户的机密信息传输,同时抑制窃听者接收到的信号强度。基站通过构建波束成形和人工噪声,进一步改善了系统的安全传输性能。为最大化系统的安全传输速率,设计了关于基站发射波束成形、人工噪声、主动IRS反射相位、主动IRS放大系数的联合优化问题。由于所提问题为非凸优化问题,设计了基于交替优化、连续凸逼近(Successive Convex Approximation,SCA)、半正定松弛(Semi⁃Definite Relaxation,SDR)的高效算法,并获得高精度的次优解。仿真结果表明,相较于被动IRS、无IRS和IRS随机相位方案,主动IRS方案有更高的系统安全传输速率;相较于无人工噪声方案,引入人工噪声可以进一步提升系统的安全传输速率。

人工噪声在速率分拆多址保密通信中的作用

本文研究速率分拆多址接入(Rate Splitting Multiple Access,RSMA)多输入单输出安全通信中,人工噪声(Artificial Noise,AN)对提升系统保密速率性能的作用以及不同方案下公共流和私有流的功率分配情况。用户消息被分拆并编码为公共流和私有流。与传统将多用户干扰视为性能瓶颈的想法不同,通过对MUI部分解码并将其余部分视为噪声,RSMA中的公共流既是合法用户的有用数据,又充当干扰外部窃听者的AN。基于此,本文研究是否需要额外的AN来增强保密性能。考虑用户公平性,提出了有或无AN的发射预编码优化方案最大化最小保密速率,采用基于逐次凸逼近的方法得到最优解。仿真结果表明,完美CSI条件下,单纯依赖RSMA中的公共流充当AN与AN辅助的RSMA安全预编码方案的可达保密速率几乎一致,额外的人工噪声并不能提高系统保密速率性能。

基于LabVIEW-USRP的人工噪声辅助MIMO通信系统仿真实验硬件平台

人工噪声作为一种物理层安全技术,与基于强计算密码学的传统通信安全机制不同,不会被快速发展的算力破解。关于人工噪声辅助多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)通信系统的安全性的理论研究已相当完备,但由于人工噪声深度依赖即时、准确的信道反馈,其在实际系统中的应用效果仍需通过试验进一步验证。提出了一种人工噪声辅助下的MIMO通信系统仿真实验硬件平台,并通过实验数据证明了人工噪声对合法MIMO通信系统可靠性的影响较小,且能够有效提升系统安全性。

基于接收机人工噪声的物理层安全技术及保密区域分析

提出了一种实现无线通信物理层安全的新方法,并从信息论的角度进行了性能分析。此方法通过合法接收者发送人工噪声来干扰窃听者信道,同时通过抵消技术使得自身不受人工噪声的影响。此方法无需信道信息的反馈,能够对抗多天线的窃听者,具有强的鲁棒性。此外基于地理位置信息提出了一种"保密区域"的新概念,此概念针对不同窃听者位置进行了遍历保密容量分析,可以作为物理层安全的评价标准和设计准则。分析和仿真结果表明所提算法对安全性能的提升较为明显,所提"保密区域"概念能够较好的从地理位置的角度评估物理层安全性能。

利用人工噪声提高合法接收者性能的物理层安全方案

该文研究在采用波束赋形和人工噪声的物理层安全方案中利用人工噪声提高合法接收端性能。发送端根据发送符号和信道系数,判断人工噪声是否对合法接收端的信号检测有益,并针对有益噪声和无益噪声分别设计不同的噪声波束赋形矢量。通过利用有益噪声,在不改变窃听端接收信噪比的条件下,合法接收端的信噪比有较明显的提高。对误比特率和保密容量进行理论分析和仿真,结果显示,与传统的人工噪声方案相比,所提方案可提高合法接收端的性能,改善保密容量。

采用4-WFRFT和人工噪声的变换域通信物理层安全传输

为了提高变换域通信(TDCS)信号的物理层安全性,提出一种基于4项加权分数傅里叶变换(4-WFRFT)和人工噪声的TDCS信号加密方式。利用4-WFRFT代替传统TDCS中的DFT/IDFT,改变了TDCS信号的空间分布,在保持原系统复杂度的同时增加了TDCS信号的抗截获性。在此基础上,使用人工噪声进一步增强系统的安全性,并推导了非法用户理论误码率以及系统保密容量。仿真结果表明,无论是全频谱还是频谱失配情况下,当参数α在[0,0.8)或(1.7,4]时,窃听者误码率始终保持在0.5,故无法正确解调发送信号,同时,系统保密容量为正数,有效保证了信息的安全传输。

多天线中继系统中人工噪声辅助的安全波束成形

针对放大转发中继系统中转发信息易被窃听者截获的问题,提出了在中继节点处采用人工噪声辅助的安全波束成形方法。该方法以系统的安全速率最大化(SRM,secrecy rate maximization)为目标,在中继节点的总功率和单个天线功率受限情况下,联合设计最优的中继波束成形矩阵和人工噪声协方差矩阵。由于该SRM问题非凸,设计了双层优化算法,其中采用一维搜索解决外层优化问题,采用半定松弛及内点法解决内层优化问题。理论推导证明,内层优化问题总存在秩为1的最优解,即所采用的松弛技术是紧的。仿真结果表明所提的方法可以显著提高系统的安全性能。

增强物理层安全的联合发射天线选择和人工噪声技术

针对未来多天线通信系统的安全问题,提出了一种增强无线物理层安全的传输策略。该策略基于发射天线的选择以及人工噪声,并采用Alamouti编码。它可以使发射机和接收机以较低的复杂度代价提高合法信道的分集增益,同时有效干扰窃听信道,使通信系统获得更高的安全容量。对系统安全容量、天线数量、以及信息信号与人工噪声之间的功率分配等问题进行了研究,仿真结果表明,该传输策略能够有效地增强物理层安全。

基于人工噪声辅助的D2D异构蜂窝安全通信方法

针对D2D通信安全性受资源限制问题,提出一种基于人工噪声辅助的D2D异构蜂窝安全通信方法。首先建立系统可达保密速率模型,然后在基站的蜂窝通信信号中添加人工噪声,以最大化系统保密速率为目标设计蜂窝用户期望信号与人工噪声的波束矢量。同时,基于公平性约束提出一种基站功率分配、期望信号预编码向量以及D2D功率控制的联合优化算法。仿真结果表明,相比于传统的SVD预编码法和ZF方法,此方法下系统可达保密速率最高提升约2.7 bit·s-1·Hz-1。

联合发端天线选择和收端人工噪声的物理层安全传输方法

该文在同频全双工技术快速发展的背景下,针对物理层安全研究中波束成形技术的高复杂度和发端天线选择(TAS)技术的低性能,提出一种联合发端天线选择和收端人工噪声(AN)的物理层安全传输方法 TAS-r AN。首先,有多根天线的发端,利用天线选择技术,选取能使合法接收方接收信噪比最大的天线发送保密消息;其次,有同频全双工能力的收端,在接收到消息的同时,发送人工噪声来扰乱窃听方对保密消息的窃听。在Nakagami-m信道下,推导了安全中断概率的闭合表达式,并基于此,得到非零安全容量的概率表达式;通过渐进安全中断概率的推导,得到TAS-r AN方法的安全分集度。仿真结果表明,与已有的TAS-single和TAS-Alamouti方法相比,TAS-r AN安全方法具有较强的稳定性,且能提供更优的安全性能。

基于人工噪声的MISO保密容量分析

对MISO系统的发射功率分配和噪声形成方法进行讨论。首先建立MISO系统的人工噪声模型,将人工噪声等效为加性信道噪声,指出当人工噪声服从高斯分布是具有最大保密容量,并给出其保密容量表达式。然后在总发射功率受限的条件下,利用向量空间投影的方法推导保密容量最佳的功率分配方案。最后采用Box-Muller变换方法结合向量空间投影给出最佳功率分配方法下服从高斯分布的人工噪声生成方法。

人工噪声策略的临界信噪比和功率分配研究

给出了多输入单输出窃听链路中人工噪声策略安全性能的统一分析。通过对私密信号和人工噪声之间最优功率分配的研究,发现人工噪声策略不是在所有情况下都能有效提升系统的安全性,同时给出了人工噪声工作的临界信噪比。此外,基于保密速率的下界得出了适应任意信噪比的功率分配表达式,据此推导出了未知窃听用户统计信道信息情况下的功率分配结果。仿真结果显示,相对于平均功率分配策略,所提功率分配方案可以有效增大系统的保密速率。