基于放大转发和协作拥塞的窄带物联网物理层安全容量研究

基于蜂窝的窄带物联网NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技术发展迅猛,随着节点数目的急剧增加及窄带无线网络的开放性,其安全问题面临严重的挑战。针对NB-IoT的不可信或窃听节点会带来严重安全威胁的问题,利用其上下行信道状态可知和半双工的特性,提出利用中继节点地放大转发、协作拥塞及联合协作保障物理层安全。放大转发节点对源信号进行放大和转发,协作拥塞节点发射干扰信号,调整波束赋形因子和功率使干扰到达目的节点为零而到达窃听者非零。仿真表明,中继节点所带来的分集增益能显著改善接收节点的信号质量,提升5倍安全容量,在不需要加密算法的情况下,确保窃听者无法获取有用信息,保证信息传输的安全。安全容量是指合法接收端可以正确接收,而窃听者即无法获取信息的最大可达通信速率。

异构网络中基于MPTCP的协作拥塞控制方案

提出了一种基于MPTCP的协作拥塞控制方案。在拥塞避免阶段,该方案首次以马尔科夫链模型为基础,对异构网络中各条路径上未被确认的数据包个数进行预测,进而计算出各条路径所能承载的最大数据量。若网络拥塞窗口值大于各条路径所能承载的最大数据量中最小值的2倍,则启动协作拥塞控制机制。在协作拥塞控制机制下,根据AIMD算法的加性增加准则调整拥塞窗口,若网络拥塞窗口值大于各条路径所能承载数据量之和,则结束协作拥塞控制机制,执行传统的TCP慢启动算法。为了提高慢启动阶段的带宽利用率,对TCPW(TCP Westwood)带宽估计算法进行改进,使路径可用带宽的估计更准确,从而提高慢启动阈值设置的合理性。仿真结果表明,在保证异构网络负载均衡及单条TCP流公平性的前提下,该方案能够增加成功传输数据包的数量。

基于近端梯度算法的协作拥塞策略

经典的协作拥塞策略忽略了目的节点端所受到的干扰信号,并使用了较多的中继数量和中继功率.为了减少中继总功耗和中继使用数量,同时保持较高的安全容量,文中在安全容量的优化问题中引入组稀疏惩罚,并采用近端梯度算法(PGA)进行求解,提出了基于PGA的协作拥塞策略.仿真结果表明,PGA算法能有效解出安全容量,通过调节惩罚因子的大小,可以在损失小部分安全容量的情况下,大大减少中继总功耗和中继使用数量,合理分配系统资源,提高中继使用效率.

协作通信物理层安全策略性能分析

协作通信与物理层信息安全是现代无线通信领域中的两个具备研究价值的方面。结合了两者的特点,研究了基于协作通信的物理层安全模型,对其中的放大转发策略和协作拥塞策略进行了最优安全容量分析,并针对目前相关研究内容并未涉及详细的性能场景分析的情况,对放大转发策略与协作拥塞策略进行了多个不同场景下的安全容量性能对比并进行了相应的理论分析。仿真研究表明,放大转发策略比协作拥塞策略更加稳定,更不易受场景变化的影响,此外,增加中继的天线数量所带来的性能提升也等效于增加中继数量。

利用协作技术实现无线通信物理层安全的方案

物理层安全技术是利用无线信道的衰落和噪声,使合法接收者获得保密信息的疑义度大于窃听者得到的保密信息的疑义度,实现安全传输。利用中继解码转发协作技术可以在窃听信道好于合法信道条件时,帮助主信道实现安全传输。现有研究只是考虑了中继解码正确转发的主信道安全性,而忽略了中继信道的安全性。本文研究了中继解码正确和不正确两种情形,满足主信道安全传输前提下的中继信道的安全性能,提出一种中继动态地选择转发接收到的数据或是发送协作拥塞以实现物理层安全的方法,并探讨了利用巢状码和随机拥塞码的安全性能。

物理层安全的存在性实验研究

物理层安全常用的衡量指标是安全容量,实际多变环境下很难一直满足信道条件制约,此时安全性用安全容量来衡量不够全面。在基于GNU Radio搭建起的软件无线电实验平台上研究了实际工程中表征物理层安全性的参数以及合法信道条件与窃听信道条件的相对关系对物理层安全存在性的影响,实验结果表明安全容量大于零的概率在实际中能较全面反映物理层安全的存在性。同时,还研究了协作拥塞对系统安全性的影响,分析结果表明协作拥塞技术是一种可突破信道条件制约的、有效的物理层安全技术。