论文部分内容阅读
异构网络更加开放的网络架构、包含的节点类型和数目更多,为窃听者进行窃听提供了便利条件,加剧了私密信息泄露的风险。近年来出现的物理层安全（Physical layer security,PLS）技术利用无线信道的物理特性解决通信安全问题,为保障异构网络安全带来了新思路。信道状态信息（Channel state information,CSI）质量及抗干扰性能的优劣对于物理层安全方案的鲁棒性与安全性有着至关重要的影响。然而,由于异构网络自身网络拓扑结构等因素的影响,信道误差在其中出现的概率大大增加;另一方面,通信技术的不断发展使得窃听者可能具备恶意干扰能力,而异构网络开放式的架构加剧了这种窃听者出现在其中的风险。受限于复杂的层间干扰和动态变化的网络拓扑结构,传统网络中对被动窃听且信道非理想场景和主动窃听场景下的鲁棒PLS研究无法直接适用于异构网络;同时,少量存在的异构网络鲁棒PLS研究集中于被动窃听且信道非理想场景下的物理层安全建模及分析,并未对如何优化设计鲁棒的安全传输方案以提升系统安全性做进一步探讨,更未涉及主动窃听场景下的相关研究。具体而言,针对异构网络的鲁棒PLS研究仍存在以下三个方面的问题亟待解决:1)在被动窃听场景下,CSI误差会降低网络可靠性与安全性,现有研究中缺乏保证网络可靠性与安全性的鲁棒PLS方案;2)在被动窃听场景下,CSI误差会降低网络安全能量效率,现有研究中缺乏保证网络安全能量效率的鲁棒PLS方案;3)缺乏适用于异构网络的抵抗主动干扰-窃听攻击的鲁棒PLS方案。针对上述问题,本文对面向异构网络的鲁棒PLS技术展开研究,分别设计被动窃听和主动窃听场景下的鲁棒PLS方案。首先,在被动窃听场景下,分别考虑不同信道误差模型,提出一种概率服务质量（Quality of service,QoS）约束下人工噪声（Artifical noise,AN）辅助的鲁棒PLS方案和基于协作波束成形的鲁棒PLS方案以保证时延容忍系统的安全性,其中前者、后者方案分别用于实际网络中存在信道估计和量化误差的情形;随后,提出一种安全中断概率约束下AN辅助的鲁棒PLS方案,以保证时延敏感系统的安全性;进一步地,综合考虑系统安全性与能量效率,提出一种基于AN的鲁棒安全能效优化方案。最后,为保证主动窃听场景下的系统安全,提出一种基于AN的抗主动窃听者的鲁棒PLS方案。论文的主要研究内容如下:1.为保证被动窃听场景下时延容忍系统的安全性,提出一种概率QoS约束下AN辅助的鲁棒PLS方案。通过对宏基站（Macrocell Base Station,MBS）和微基站（Femtocell Base Station,FBSs）的下行信息波束及AN矢量进行联合设计,调度网络中层间干扰及AN降低窃听者接收性能。考虑高斯随机信道误差,在基站的发送功率约束、合法用户的信息接收中断概率约束及窃听者的信息窃听中断概率约束下,以最大化系统能量采集（Energy harvesting,EH）性能为目标进行建模。首先对建模后的非凸问题进行等效变换,然后分别利用Berstein-type不等式和Large-deviation不等式两种方式将其中的中断概率约束转化为凸的线性矩阵不等式,最后结合二次等式引理及递归凸估计（Successive convex approximation,SCA）算法处理秩为1波束约束的非凸性。仿真结果验证了所提方案的安全性和鲁棒性。2.为保证被动窃听场景下时延容忍系统的安全性,提出一种基于协作波束成形的鲁棒PLS方案。在范数受限信道误差情形下,通过联合优化设计MBS和邻近窃听者的FBSs的下行波束矢量,调度网络中节点间相互干扰更多地叠加在窃听者接收端。首先考虑窃听者进行独立窃听情形,在满足合法用户的下行QoS及基站总发送功率约束的同时,最大化系统安全速率。该安全速率最大化问题是非凸的,首先对其进行等效变换,然后结合SCA算法、SDR技术处理其中的非凸约束,并借助于Lagrange对偶理论处理CSI误差带来的无穷多约束,最终将其转化为一系列的凸估计问题。进一步地,将该框架扩展至联合窃听的情形。通过等效变换将原始非凸问题转化为一个双层优化问题进行求解,其中外层是一个单变量优化问题,利用一维线性搜索方法求解;内层问题利用半定松弛（Semi-Definite Relaxation,SDR）技术、Charnes-Cooper变换及Lagrange对偶理论转化为一个凸的半定规划（Semi-definite Programming,SDP）问题求解。仿真结果验证了所提方案的安全性和鲁棒性。3.为保证被动窃听场景下时延敏感系统的安全性,提出一种安全中断概率约束下AN辅助的鲁棒PLS方案。通过基站间协作,调度网络中层间干扰使其更多地叠加在窃听者接收端,同时减少对合法用户下行通信的影响。首先,在范数受限信道误差情形下,通过联合设计MBS和FBS的下行信息波束和AN矢量最小化系统总发送功率,同时满足MU的下行QoS、FU的EH及安全中断概率约束。借助于S-程序、SCA算法和SDR技术,将形成的非凸问题转化为一系列的凸估计问题进行求解。进一步地,将该框架扩展至高斯随机信道误差情形,此时该问题是一个含有中断概率性MU的下行QoS、FU的EH及安全速率门限约束的非凸问题。结合SDR技术和SCA算法,分别利用Large-deviation不等式、Bernstein-type不等式及S-程序将其中的的中断概率约束转化为确定性凸约束。仿真结果验证了所提方案的安全性和鲁棒性。4.为保证被动窃听场景下的系统安全能量效率,提出一种基于AN的鲁棒安全能效优化方案。通过基站间协作,调度网络中层间干扰使其降低窃听者接收性能,从而提高系统发送功率的利用效率,同时结合AN进一步提升系统安全性。在范数受限信道误差情形下,通过在MBS和FBSs的下行信息波束中注入AN,然后联合优化设计其下行信息波束成形和AN矢量最大化系统安全能量效率。首先通过SDR技术和SCA算法对形成的原始非凸问题进行等效转化,随后借助于Lagrange对偶理论处理CSI误差带来的无穷多约束以获取原始问题的最优解。进一步地,为降低网络中基站间的信令交互开销、缓解中心处理站的计算压力,提出一种基于交替方向乘子法（Alternative direction multiplier method,ADMM）的分布式求解方法。仿真结果验证了所提方案的安全性和鲁棒性。5.为保证主动窃听场景下的系统安全性,提出一种基于AN的抗主动窃听者的鲁棒PLS方案。通过在下行发送信号中注入AN,而后对有用信号和AN发送功率分配进行优化以提升系统安全性。首先考虑窃听者发送上行导频干扰的情形,分析上行导频干扰对合法用户信道估计的影响,设计MBS、FBS的下行数据与AN信号的预编码矩阵,并提出一种基于一维线性搜索的方法来获取最优的基站发送功率分配设计,以最大化系统安全速率。进一步地,考虑窃听者在发送上行导频干扰后、继而发送下行干扰的情形,提出一种基于离散零和博弈的方法来获取最优的发送功率设计。仿真结果验证了所提方案的安全性和鲁棒性。