不可信中继网络中的安全速率提升技术研究

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近年来,为了解决物理层通信的安全问题,许多学者展开了新的技术研究,其中协作中继技术、协作干扰(Cooperative Jamming,CJ)技术和波束形成技术,是目前解决这一问题的有效方案。本文开展基于目的节点协作干扰(Destination Assisted Jamming,DAJ)的不可信中继网络安全速率提升技术研究,沿着“单天线→多天线→多中继”主线,重点研究的内容包括以下三个方面:(1)针对能量收集不可信中继网络,研究其最优能量分配技术。针对不可信中继设计了基于DAJ技术的安全传输方案。考虑到中继拥有收集能量的能力,可以同时从源节点和目的节点发送的信号中收集能量,以维持其自身的长期通信。进而,提出了考虑中继节点具备能量收集能力的基于最优能量分配的三节点单向传输通信方案,理论推导了系统安全速率的表达式。随后,构建了考虑能量受限条件下的最大化系统安全速率的优化模型,设计了联合求导迭代优化的算法,得到两个最优的能量分配因子。最后进行了仿真证明,分析了影响安全速率的因素,结果表明存在唯一的一对能量分配因子使安全速率实现最大化。(2)针对多天线不可信中继网络,研究其预编码和功率分配联合优化技术。在不可信中继网络中引入多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术,充分利用空间自由度,优化设计预编码和功率分配技术,以期在总功率限制条件下建立最大化安全速率的优化模型。针对复杂的优化问题,设计了联合预编码矩阵和功率分配因子的迭代解决方案。首先,通过广义奇异值分解(General Singular Value Decomposition,GSVD)对有效信道进行分解,设计了源节点和目的节点的预编码矩阵,从而可以实现有用信号和协作干扰信号的高效聚焦,实现在给定功率分配因子条件下最大化系统的安全速率的目标。然后,使用迭代算法来联合优化源节点处的预编码矩阵和两个功率分配因子。通过仿真比较了本文设计的预编码矩阵方案、随机波束形成方案和等功率波束形成方案的性能,发现该方案具有较高的安全性能。(3)针对多不可信的中继传输网络,提出了一种联合优化中继选择和功率分配的方案。为了防止信息被窃听,采用了DAJ技术,并研究了有用信号与干扰信号之间的功率分配问题。在此基础上,研究了基于系统安全速率最大的中继选择方案。随后,针对三种应用场景,即源节点或目的节点或两者都配备了大规模天线,评估系统的遍历安全速率(Egodic Secrecy Rate,ESR)和安全中断概率(Secrecy Outage Probability,SOP),并给出了闭合表达式。最后,仿真结果证明了所提出的选择方案的优越性。并且发现,通过增加不可信中继的数量,可以使系统性能得到改善。
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