【摘要】：第五代移動通信網(wǎng)絡部署將日趨密集化和異構化。異構化的無線網(wǎng)絡不僅面臨傳統(tǒng)的空口安全威脅,同時由于其具有節(jié)點類型多樣、干擾源復雜、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構隨機化等特點,使得異構無線網(wǎng)絡面臨更加嚴峻的安全挑戰(zhàn)。多天線物理層安全傳輸技術能夠利用信道特征以及多節(jié)點與多天線帶來的空間自由度,保障隨機異構網(wǎng)絡中合法接收方的通信安全,近來受到業(yè)界的廣泛關注。然而,現(xiàn)有隨機異構網(wǎng)絡中的多天線物理層安全研究主要集中于傳統(tǒng)異構蜂窩網(wǎng)絡安全性能分析框架的建立以及安全傳輸機制的設計,相關研究尚處于起步階段,仍有諸多拓展方向亟待研究。具體而言,有以下兩個方面:1)缺乏考慮利用該技術提升多跳隨機異構網(wǎng)絡和隨機認知異構網(wǎng)絡安全性能的研究;2)缺乏針對隨機異構網(wǎng)絡中空對地(Air-to-Ground,A2G)通信以及室內(nèi)通信場景的相關研究。針對上述問題,本文根據(jù)不同無線通信系統(tǒng)工作方式和信號傳播環(huán)境的特點,分別研究了面向不同類型隨機異構網(wǎng)絡的多天線物理層安全傳輸技術。首先,在地面通信環(huán)境下,利用多天線物理層安全技術提高多跳異構網(wǎng)絡和傳統(tǒng)認知異構網(wǎng)絡安全性能,并針對非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)輔助的認知異構網(wǎng)絡設計了相應的多天線物理層安全傳輸方案,以提升網(wǎng)絡安全性;然后,在A2G通信環(huán)境下,針對無人機基站輔助的懸停式異構網(wǎng)絡,利用多天線物理層安全傳輸技術提升網(wǎng)絡安全能效;最后,在室內(nèi)通信環(huán)境下,考慮多層建筑內(nèi)部位于不同樓層的多種基站構成的室內(nèi)異構網(wǎng)絡,提出了一種多接入點協(xié)作安全傳輸方案。本文主要貢獻概括如下:1.針對多跳輔助的隨機異構網(wǎng)絡中節(jié)點分布不均、干擾源復雜及可能存在二次私密信息泄露的問題,就利用多用戶多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)技術提升多跳隨機異構網(wǎng)絡安全性能展開分析。將網(wǎng)絡中用戶的工作模式根據(jù)其是否直接與基站通信分為常規(guī)模式與ad hoc模式�；陔S機幾何理論構建了多用戶MIMO輔助的多跳異構網(wǎng)絡物理層安全分析框架,利用多用戶MIMO技術提高常規(guī)模式用戶的接收信道增益,并依據(jù)選擇策略使其作為中繼時的服務距離位于預設范圍內(nèi),以減小ad hoc模式用戶到其服務中繼的平均距離,從而降低ad hoc模式用戶接收信號的平均路徑損耗�；谠摽蚣�,對常規(guī)模式用戶和ad hoc模式用戶的安全性能進行了研究,并分析了多跳異構網(wǎng)絡的全局安全性能。2.針對隨機認知異構網(wǎng)絡中主用戶優(yōu)先級高、認知用戶網(wǎng)絡安全性能弱的問題,就利用多天線技術結(jié)合門限接入機制和安全傳輸機制提升認知異構網(wǎng)絡的安全性能展開分析。利用多天線技術服務主用戶網(wǎng)絡和認知用戶網(wǎng)絡中的合法用戶,提升其平均接收信號功率。此外,利用門限機制控制認知用戶網(wǎng)絡的通信,減少認知基站層對主用戶的干擾。同時,在認知基站周圍設置保護區(qū)域,當認知基站檢測到竊聽者時終止通信,以提升認知用戶通信的安全性。借助于隨機幾何理論,對隨機認知異構網(wǎng)絡進行建模,并構建了網(wǎng)絡平均可靠性和安全性分析框架。3.針對NOMA輔助的主網(wǎng)絡中因用戶分配的信號功率不同引起用戶之間可靠性和安全性不均的問題,提出一種基于協(xié)作NOMA技術和安全防御機制的安全傳輸方案。在主基站周圍設置保護區(qū)域以提高主網(wǎng)絡通信的安全性,然后主基站利用波束成形發(fā)射信號,令信道條件較好的主用戶在剝離出自身信號后,利用NOMA技術為其他信道條件較差的用戶(弱信道用戶)提供中繼服務;弱信道用戶在直傳時隙和協(xié)作時隙分別收到來自主基站和中繼用戶的信號后,采用選擇合并機制處理兩個時隙收到的信號。文中對該方案下的主網(wǎng)絡安全性和可靠性展開了研究,并基于傳輸安全中斷概率進一步聯(lián)合分析了上述性能指標。4.針對無人機基站組成的懸停式異構網(wǎng)絡續(xù)航能力受搭載電源限制、發(fā)射方與接收方相距較遠會影響網(wǎng)絡能效與通信安全的問題,構建一種基于多天線技術和門限接入機制的安全分析框架。無人機基站利用多天線技術提升合法用戶的信道質(zhì)量,并通過門限接入機制減少低質(zhì)量通信�？紤]到無人機基站與地面通信屬于A2G通信,該種通信環(huán)境中無法忽略非視距傳播對信號的影響,常以視距傳播和非視距傳播的發(fā)生概率描述通信信道。在此基礎上,基于泊松點過程對各類節(jié)點分布進行建模,分析網(wǎng)絡的安全性、可靠性以及安全能效,并進一步對網(wǎng)絡的接入門限和宏基站發(fā)射功率進行設計,以最大化網(wǎng)絡安全能效。5.針對多層室內(nèi)異構無線網(wǎng)絡中節(jié)點分布隨機、發(fā)射功率受限、空間層次復雜、損耗類型多樣導致網(wǎng)絡安全性能受限的問題,提出一種基于多接入點協(xié)作的安全傳輸方案�；谄骄邮招盘柟β书T限值選擇同樓層的網(wǎng)絡接入點作為協(xié)作基站集,將協(xié)作基站集中的多個基站組成分布式天線陣列,利用多點協(xié)作傳輸技術向目標用戶傳輸信號,提升網(wǎng)絡安全性。借助于隨機幾何理論,以安全覆蓋概率為安全性能指標,對多層室內(nèi)異構無線網(wǎng)絡的安全性能進行分析。
【圖文】：

能夠有效適應數(shù)據(jù)流量和用戶數(shù)量的增長，并降低無線網(wǎng)絡接入成本，正成為未來無線網(wǎng)絡結(jié)構發(fā)展的新趨勢，圖1 展示了包含宏基站、小基站、家庭基站、懸停式基站、車載基站以及室內(nèi)基站的多層異構網(wǎng)絡示意圖。 圖 1 多層異構網(wǎng)絡示意圖 異構無線網(wǎng)絡能夠為應對未來急劇增長的無線數(shù)據(jù)需求提供一種高效節(jié)能的解決方案，該網(wǎng)絡中不同發(fā)射節(jié)點可以配置不同的發(fā)射功率、天線數(shù)、覆蓋區(qū)域，以及無線接入技術等，由此形成了多層次體系結(jié)構，以碎片化網(wǎng)絡為不同用戶個體提供針對性服務。具體而言，高功率節(jié)點置于宏小區(qū)層，無線覆蓋區(qū)域廣；而低功耗節(jié)點置于小小區(qū)層，無線覆蓋區(qū)域小。小小區(qū)，如毫微微小區(qū)、微微小區(qū)和微小區(qū)，合理地疊加部署在宏小區(qū)覆蓋區(qū)域上，能夠強化高容積率區(qū)域、租戶密集的商業(yè)寫字樓和住宅的室內(nèi)覆蓋，擴展人口稠密的城市、郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)的室外覆蓋。異構網(wǎng)絡所包含的設備層，為設備到設備（Device-to-Device, D2D）通信和多跳通信等業(yè)務的開展提供了支撐[1]。其多層次的網(wǎng)絡體系結(jié)構和豐富的網(wǎng)絡節(jié)點，為認知無線電、中繼等技術的推廣運用開辟了廣闊的舞臺。 異構網(wǎng)絡中部署的小基站通過卸載部分宏基站的邊緣用戶以降低單個基站的平均負載，使得網(wǎng)絡平均阻塞減少[2]，同時還提升了網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率[3]。其即插即用的特點提高了按需調(diào)整的動態(tài)網(wǎng)絡容量[4]，，也為進一步優(yōu)化網(wǎng)絡能耗提供了可能[5]。與宏基站相比，小基站的部署過程更為簡潔，而且運營管理成本遠低于宏基站。相比于單純采用宏基站的部署方案

戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學博士學位論文 全。隨后，Wyner 在 1975 年發(fā)表的文獻[12]對 Shannon 的研究成果進行了推廣，并首次提出了如圖 2 所示的“退化的竊聽信道模型（Degraded Wiretap Channel Model）”，該模型即為物理層安全基本模型。這一理論貢獻對物理層安全的發(fā)展史影響巨大，為通信安全保障提供了新思路，此后基于該模型的研究成果不斷涌現(xiàn)。
【學位授予單位】：戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李渝舟;江濤;曹洋;李贊;;5G綠色超密集無線異構網(wǎng)絡:理念、技術及挑戰(zhàn)[J];電信科學;2017年06期

2 王文杰;;基于物聯(lián)網(wǎng)的制造業(yè)異構網(wǎng)絡融合技術研究[J];高等職業(yè)教育(天津職業(yè)大學學報);2015年06期

3 Tao HUANG;Ying-lei TENG;Meng-ting LIU;Jiang LIU;;理想/非理想感知條件下認知異構網(wǎng)絡的容量分析（英文）[J];Journal of Zhejiang University-Science C(Computers & Electronics);2015年01期

4 王海濤;宋麗華;陳暉;張禎松;;異構網(wǎng)絡融合及實現(xiàn)技術方案探討[J];數(shù)據(jù)通信;2014年02期

5 陳如明;;多元異構網(wǎng)絡的協(xié)同與融合助力智慧城市的務實發(fā)展[J];中國無線電;2011年09期

6 胡海波;;無線異構網(wǎng)絡發(fā)展綜述[J];現(xiàn)代電信科技;2009年12期

7 吳蒙;季麗娜;王X;;無線異構網(wǎng)絡的關鍵安全技術[J];中興通訊技術;2008年03期

8 陶毅,郭顏軍,李成博,張昕;基于TCP/IP的異構網(wǎng)絡系統(tǒng)的互聯(lián)與集成[J];計算機輔助設計與制造;1999年02期

9 王莉;鄭婷一;李明;;網(wǎng)絡媒體大數(shù)據(jù)中的異構網(wǎng)絡對齊關鍵技術和應用研究[J];太原理工大學學報;2017年03期

10 李倩;李屹;;分層異構網(wǎng)絡中基于進化博弈的小區(qū)附著機制[J];電視技術;2015年17期

相關會議論文 前10條

1 陳瑩瑩;張庚;翟明岳;李杰;黨美琳;邢桂蘭;;基于統(tǒng)一通信技術的異構網(wǎng)絡穿越安全算法研究[A];2013電力行業(yè)信息化年會論文集[C];2013年

2 傅承鵬;;對《下一代通訊網(wǎng)的戰(zhàn)略思考》的補充[A];2006中國科協(xié)年會論文集（第13分會場）[C];2006年

3 張昕;;LTE異構網(wǎng)絡干擾協(xié)調(diào)技術研究[A];2014LTE網(wǎng)絡創(chuàng)新研討會論文集[C];2014年

4 羅新軍;楊超;;LTE異構網(wǎng)絡深度覆蓋解決方案研究[A];2015LTE網(wǎng)絡創(chuàng)新研討會論文集[C];2015年

5 劉璋奯;;異構網(wǎng)絡下國際IM系統(tǒng)架構及關鍵技術研究[A];2014全國無線及移動通信學術大會論文集[C];2014年

6 王長峰;田雨;;大型工程(科技)項目應急管理異構網(wǎng)絡組織行動者網(wǎng)絡分析[A];第九屆中國軟科學學術年會論文集（下冊）[C];2013年

7 盧燕青;張榮;吳恒章;;異構網(wǎng)絡融合下的統(tǒng)一QoS策略控制方案研究[A];中國通信學會信息通信網(wǎng)絡技術委員會2009年年會論文集（下冊）[C];2009年

8 李原草;高月紅;張欣;;動態(tài)TDD在LTE異構網(wǎng)絡下的性能分析[A];2013LTE網(wǎng)絡創(chuàng)新研討會論文集[C];2013年

9 白勇;杜文才;;利用無線Mesh網(wǎng)和異構網(wǎng)絡的海上船舶通信研究[A];2013年全國無線電應用與管理學術會議論文集[C];2013年

10 張舜卿;劉亞林;杭海存;徐樹公;;綠色無線技術的基礎理論和未來趨勢[A];中國通信學會信息通信網(wǎng)絡技術委員會2011年年會論文集（下冊）[C];2011年

相關重要報紙文章 前10條

1 李蕙心　陳能端;新加坡計劃推出“異構網(wǎng)絡”[N];人民郵電;2014年

2 陳如明;TD—SCDMA與WiMAX可進行異構網(wǎng)絡融合[N];中國電子報;2008年

3 中興通訊 宋軍邋尤建潔 蘭光華;異構網(wǎng)絡的資源控制體系為業(yè)務提供服務質(zhì)量保證[N];通信信息報;2008年

4 本報記者 徐勇;異構網(wǎng)絡引發(fā)挑戰(zhàn)移動回程亟待革新[N];人民郵電;2012年

5 謝麗容;國家無線電頻率規(guī)劃專家咨詢委員會主任陳如明 經(jīng)營好多元異構網(wǎng)絡[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2011年

6 北京郵電大學無線新技術研究所所長 張平;用全新的思路對待4G[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2007年

7 工業(yè)和信息化部電信研究院 馬軍鋒　何寶宏;五大方案實現(xiàn)IPv6與IPv4共存互通[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2011年

8 ;2012年通信業(yè)10大發(fā)展趨勢展望[N];人民郵電;2012年

9 上海貝爾;2012年通信業(yè)十大發(fā)展趨勢展望[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2012年

10 趙曉濤;VPN: 只有測試,沒有最好[N];網(wǎng)絡世界;2006年

相關博士學位論文 前10條

1 吳豐;基于方向性天線的無線異構網(wǎng)絡容量研究[D];國防科學技術大學;2016年

2 牛烙

本文編號：2659260