分布式无线协同通信系统信道安全性研究-通信与信息系统专业论文.docxVIP

摘 摘 要 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 摘 要 协同通信技术具有抗干扰能力强、系统传输速率高和网络覆盖率高的优点， 能够提高无线通信系统传输的有效性和可靠性。无线信道的开放性使得信号在传 输过程中易被窃听，给通信安全带来了挑战，本文从信息论的角度对无线协同中 继窃听信道的物理层安全问题展开了深入研究，主要研究工作如下： 基于单中继双向窃听信道模型提出了通过中继广播人工噪声干扰窃听者信 道的方案，分析并推导出该对称通信信道的可达安全容量。在总功率受限的条 件下，分别讨论了等功率分配方案和已知信道状态信息(Channel state information, CSI)的最优功率分配方案，计算了源-中继节点之间的最优功率分配因子解析解， 该分配因子与窃听者的位置有关。针对实际通信中窃听者的位置信息很难获知 的情况，提出了较为切实可行的次优功率分配方案。仿真实验验证了该方案能 够有效降低窃听者的信道质量，提高系统安全通信范围和信道安全容量。 将单中继信道模型扩展到分布式多中继信道模型，并对其进行了深入的研 究。针对分布式协同中继系统，提出了由源节点或中继节点在合法接收者信道 的零空间内广播人工噪声的两种干扰协同方案。在完全 CSI 已知条件下，分析 了这两种方案中有用信号-人工噪声的功率分配问题，并给出了最优功率分配因 子解析解，其最优分配因子与主信道是否优于窃听信道有关：主信道较好时， 最优功率分配因子大于 0.5 ；反之应小于 0.5 ，此时应分配更多的发射功率用于 广播人工噪声以干扰窃听信道，达到安全通信的目的。考虑实际中窃听者的 CSI 难以获知，提出了高信噪比下的次优化功率分配方案。在总功率受限下，以最 大化系统安全容量为目标对源-中继节点进行功率优化分配，并给出了最优功率 分配因子解析解。在部分 CSI 已知时，研究了平坦瑞利衰落信道下系统安全通 信的中断概率，求解了最小化安全通信中断概率的最优功率分配因子，并对比 了两种方案的最小中断概率。仿真结果验证了上述方案的有效性以及最优功率 分配方案的优越性；同时次优化功率分配方案与最优功率分配方案性能近似， 实际应用中可替代最优功率分配方案。 关键词：物理层安全；安全容量；功率分配；人工噪声；分布式协同中继系统 I AB ABSTRACT AB ABSTRACT 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 ABSTRACT As one of the key techniques to improve the capacity of wireless communication systems, the cooperative technique achieves huge advantages of quality and rate among users. The openness nature of wireless channel makes the signal vulnerable to eavesdropping, which brings serious challenges on the security. The security performance of wireless relay systems in view of information theory is studied, and the main research work is specified as follows: The security of single-relay two-way cooperative systems is investigated. In a two-way communication system, artificial noise is introduced by relay node to interfere the channel of eavesdropper, and the security capacity of this symmetrical communication system is deduced. Under the limited total power, the average power allocation and the optimal power allocation schemes based on full CSI are discussed respectively, and the corresponding closed-form solution of optimal power allocation factor is calculated, which depends on the loc