中继联合直达影响下多用户协作网络的安全通信

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无线通信系统的信息传输具有广播特性,使得私密信息很容易被窃听者窃取,引发严重的安全问题。如何保证无线信息的安全传输,是物理层安全通信的关键问题。协作干扰技术的出现,为这一问题的解决提供了新的思路。在多中继的协作通信系统中,利用中继选择技术选取信道质量较好的中继集协作通信,能有效减少系统开销和提高系统的保密性能。在多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)系统中,采用人造噪声技术能在不影响目标用户信道质量的前提下有效地劣化窃听信道质量,从而增强系统的安全性能。  本文首先对中继协作网络和物理层安全通信进行了阐述,介绍了协作中继的原理和常见的中继模式。然后引入物理层安全通信概念,介绍了窃听模型、物理层安全的性能指标、安全编码技术、协作干扰技术和基于无线信道特性的安全技术,其中着重对协作干扰技术中的人工噪声技术和中继选择技术进行了论述。  针对中继联合直达影响下的多用户协作网络在解码转发(Decode-and-Forward,DF)模式和放大转发(Amplify-and-Forward,AF)模式下的安全性能问题,设计出最优中继用户选择策略,给出系统保密中断概率的闭式表达式和高主窃比(Main-to-Eavesdropper Ratio,MER)下的渐进表达式,对系统的保密容量和保密中断概率进行了仿真。分析仿真结果,我们得知中继联合直达的多用户DF协作网络的分集阶数与目标用户数量和DF中继数量有关,与窃听用户数量无关,而中继联合直达的多用户AF协作网络的分集阶数与目标用户数量有关,与AF中继数量和窃听用户数量无关。  针对基于人工噪声技术的中继联合直达协作网络的安全性能问题,建立了基于人工噪声的协作通信系统模型,给出了系统在DF模式和AF模式下的保密容量闭式解析式,对系统的保密容量和保密中断概率进行了仿真,仿真结果表明,采用人工噪声能提高系统的保密容量和降低系统的保密中断概率,从而优化系统的保密性能。
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