協(xié)作波束成形與多中繼物理層安全.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的進步和手機的普及，人們對要求更優(yōu)質(zhì)的通話服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)和更高速的數(shù)據(jù)傳輸。需求帶動著理論的發(fā)展和技術(shù)的進步，在最近普及的4G網(wǎng)絡(luò)中，MIMO(Multiple Input Multiple Output)技術(shù)因為其特有的優(yōu)勢得到了應(yīng)用。MIMO技術(shù)通過能夠提高系統(tǒng)的空間分集增益和復用增益，減小信號衰落帶來的影響，提高信息傳輸速率，保障系統(tǒng)的QoS。然而由于需要多根天線的架設(shè)，會導

2、致設(shè)備成本過高或者不便于移動。
　　在通信可靠性的基礎(chǔ)上，信息的安全性和私密性也是通信研究過程中的一個關(guān)鍵問題，特別是在無線通信中由于無線介質(zhì)的廣播特性，信息傳輸?shù)陌踩杂葹橹匾，F(xiàn)有的保證信息機密傳輸?shù)氖侄沃饕歉鶕?jù)香農(nóng)提出的信息論安全方案，在網(wǎng)絡(luò)層信號的編碼和解碼階段使用加密方法，通過安全秘鑰算法或者公鑰方法，確保只有享有私鑰的用戶才能解碼出原信息。然而由于計算機的迅速發(fā)展，秘鑰分配更加困難，通過加密手段保證系統(tǒng)安全性將會越來

3、越困難。因此，物理層安全無線通信受到了極大的期望。物理層安全是指在TCP/IP模型中的物理層中，通過一定的技術(shù)方案，盡量實現(xiàn)信息的無泄漏傳輸。物理層安全是基于Wyner在1975年提出的理論，當竊聽用戶的CSI(Channel State Information)較差于合法用戶的CSI時，就可以得出信息傳輸?shù)淖畲蟀踩俾?。在這個理論前提下，關(guān)于物理層安全的研究有著快速的發(fā)展。
　　協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中，利用多個移動終端作為中繼，相互協(xié)作

4、轉(zhuǎn)發(fā)信號，可以形成一個類似MIMO的多天線陣列?？梢跃哂蠱IMO技術(shù)的優(yōu)勢增加空信息容量、降低能量消耗，并且具有很好的便攜性。在多中繼網(wǎng)絡(luò)中利用波束成形技術(shù)，可以通過簡潔明了的信號加權(quán)，實現(xiàn)信號的定向傳輸，提高接收端信號的SNR(Signal to Noise Ratio)。在物理層安全中，利用多中繼協(xié)作通信，可以使用更多的技術(shù)比如波束成形、協(xié)作干擾和干擾對齊來提高系統(tǒng)的安全容量，增加傳輸中的保密自由度。本論文的主要主要貢獻點如下:

5、r>　　提出了在多跳多中繼網(wǎng)絡(luò)中通過遺傳算法設(shè)計波束權(quán)值來提高系統(tǒng)的可靠性。當信道衰落尤為嚴重的時候，通過兩個中繼群依次對信號進行放大轉(zhuǎn)發(fā)來增加信號的SNR。根據(jù)優(yōu)化問題信噪比最大化和中繼功率最小化來分別設(shè)計兩個中繼群的波束權(quán)重。在問題優(yōu)化過程中，將兩個變量的優(yōu)化問題通過數(shù)學計算簡化為單一變量的問題，進而使用遺傳算法進行求解。對比用遺傳算法直接求解原始問題，優(yōu)化后的問題由于初始變量的折半，會減少很多的計算時間。仿真結(jié)果表明跟迭代計算凸優(yōu)

6、化方法對比，我們的方法有了較大的性能提升。
　　研究了在多中繼網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全問題，計算系統(tǒng)最大可達的安全自由度。其中每一個節(jié)點均配備單根天線。多個中繼分為兩個群組，不僅幫助信息的傳輸，同時通過發(fā)送高斯噪聲干擾潛在的惡意竊聽用戶來提高信息在物理層傳輸?shù)陌踩?。通過在于擾群組中共享隨機的干擾信號，可以計算出多中繼系統(tǒng)中可以達到的最大自由度DoF(Degree of Freedom)為1/2，并且在高信噪比下更為接近。給出了達到最大