發(fā)布時(shí)間：2018-06-01 09:17

  本文選題：協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò) + 物理層安全��； 參考：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可望解決頻譜資源利用率低下的問(wèn)題,在過(guò)去數(shù)十年里得到了長(zhǎng)足發(fā)展。協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電作為認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)和協(xié)作中繼傳輸技術(shù)的結(jié)合,受到了全球?qū)W術(shù)界的廣泛關(guān)注。在協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中,初級(jí)用戶租賃其頻譜供次級(jí)用戶使用,以期通過(guò)次級(jí)用戶的協(xié)作傳輸提高網(wǎng)絡(luò)性能。同其他無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)一樣,由于無(wú)線信道的廣播特性,協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)面臨著竊聽(tīng)威脅�，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制建立在網(wǎng)絡(luò)層之上,以密鑰加密的方式保證保密通信。然而,隨著竊聽(tīng)者計(jì)算能力的提高,現(xiàn)有加密機(jī)制的安全性能受到了沖擊。此外,由于協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)自組織、低復(fù)雜度、資源受限等網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),算法復(fù)雜度高的密鑰加密方式所必須的密鑰分配和密鑰管理在該網(wǎng)絡(luò)中難以部署實(shí)施。不同于密鑰加密方式,處于物理層的安全通信技術(shù),可以充分利用無(wú)線信道固有的時(shí)變、隨機(jī)等特性,能夠從信息論的角度帶來(lái)額外的安全保障,是現(xiàn)有安全機(jī)制的重要補(bǔ)充。物理層安全擁有低復(fù)雜度、低能耗、無(wú)需密鑰生成分配等優(yōu)勢(shì),特別適合應(yīng)用于協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)。然而,目前已有的物理層安全方案所針對(duì)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為單一,在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中性能較差。同時(shí),已有的物理層安全方案對(duì)于用戶合作機(jī)制未進(jìn)行深入研究,在協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的可推廣性和可實(shí)現(xiàn)性存在不足。本文針對(duì)上述內(nèi)容,對(duì)協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全問(wèn)題進(jìn)行了深入詳細(xì)的研究,主要內(nèi)容包括:1.研究了協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中基于協(xié)作干擾的物理層安全問(wèn)題�？紤]到網(wǎng)絡(luò)中用戶的協(xié)作特性,提出使用協(xié)作干擾技術(shù)的物理層安全方案,保證了網(wǎng)絡(luò)中初級(jí)用戶和次級(jí)用戶通信的可靠性和安全性,具體而言:1)使用半定規(guī)劃理論,結(jié)合迫零波束成形技術(shù),推導(dǎo)得出了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的波束成形向量和解碼向量;2)使用幾何規(guī)劃方法,在全局功率約束條件下,優(yōu)化得出了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功率分配向量,獲得了安全容量的最優(yōu)解;3)研究了干擾源多選問(wèn)題,使用聯(lián)盟博弈形成理論,根據(jù)合并-分裂規(guī)則和最大帕累托比較標(biāo)準(zhǔn),提出了干擾源多選算法,得出了穩(wěn)定收斂的干擾源聯(lián)盟結(jié)構(gòu)。2.研究了協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的干擾源-中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)合選擇問(wèn)題。認(rèn)識(shí)到已有研究對(duì)于協(xié)作節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信息瞬時(shí)已知的假設(shè)過(guò)于理想,本文考慮了僅可獲知協(xié)作節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)信息統(tǒng)計(jì)分布的情況,提出了基于最優(yōu)停止理論的干擾源-中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)合選擇方案,具體而言:1)將干擾源-中繼節(jié)點(diǎn)聯(lián)合選擇問(wèn)題建模為最優(yōu)停止問(wèn)題,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)安全容量和時(shí)間效率,設(shè)計(jì)了停止收益函數(shù);2)推導(dǎo)得出了每步觀測(cè)收益函數(shù)期望值,提出了最優(yōu)停止準(zhǔn)則,給出了基于最優(yōu)停止理論的選擇算法,并證明了算法的收斂性質(zhì);3)證明了最優(yōu)觀測(cè)序列的存在性,并使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃推導(dǎo)得出了次級(jí)用戶的最優(yōu)觀測(cè)序列,優(yōu)化了方案的性能。3.研究了協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的干擾源激勵(lì)問(wèn)題。已有的研究假設(shè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)無(wú)償?shù)幕ㄙM(fèi)能量發(fā)送干擾信號(hào),對(duì)于干擾源的激勵(lì)問(wèn)題未予考慮�？紤]到協(xié)作認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中用戶的個(gè)人理性,本文提出了使用能量收集技術(shù)的干擾源激勵(lì)方案。此外,不同于已有研究,本文將竊聽(tīng)者信道狀態(tài)信息已知的假設(shè)弱化為僅可獲知竊聽(tīng)者部分信道狀態(tài)信息,具體而言:1)根據(jù)信道不確定范數(shù)約束模型,使用魯棒優(yōu)化方法,優(yōu)化設(shè)計(jì)了最壞情況下網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率協(xié)方差矩陣,提高了網(wǎng)絡(luò)安全性能;2)定義了干擾源能量收集-協(xié)作干擾的協(xié)助模式,使用能量收集技術(shù),達(dá)到了干擾源能量消耗的收支平衡;3)提出了基于維克里拍賣的干擾源激勵(lì)算法,設(shè)計(jì)了合理的拍賣定價(jià)策略,得出了算法的最優(yōu)策略均衡解,證明了算法滿足用戶誠(chéng)實(shí)性和用戶個(gè)人理性的性質(zhì),在保證初級(jí)用戶安全性能的同時(shí),有效的對(duì)次級(jí)用戶進(jìn)行了激勵(lì)。
[Abstract]:Cognitive radio (cognitive radio) is expected to solve the problem of low utilization of spectral resources, which has made great progress in the past few decades. As a combination of cognitive radio and cooperative relay transmission, cooperative cognitive radio has attracted wide attention from the global academia. For secondary users, it is expected to improve network performance through the cooperative transmission of secondary users. Like other wireless communication networks, cooperative cognitive radio networks are faced with the threat of eavesdropping due to radio channel broadcasting characteristics. Existing network security mechanisms are based on the network layer to secure secure communication by key encryption. However, With the improvement of the ability of the eavesdropper, the security performance of the existing encryption mechanism has been impacted. In addition, the key distribution and key management of the key encryption method with high complexity are difficult to deploy in the network because of the self organization, low complexity and resource limited network characteristics of the cooperative cognitive radio network. The key encryption method, the secure communication technology in the physical layer, can make full use of the inherent time-varying and random characteristics of the wireless channel. It can bring additional security guarantee from the angle of information theory. It is an important supplement to the existing security mechanism. The physical layer has the advantages of low complexity, low energy consumption, and no key generation and distribution. It should be used for cooperative cognitive radio networks. However, the existing physical layer security schemes have a relatively single network environment, and the neutral ability of the cooperative cognitive radio networks with complex network structures is poor. At the same time, the existing physical layer security schemes do not study the user cooperation mechanism deeply and cooperate to recognize the wireless network. In this paper, the problems of physical layer security in cooperative cognitive radio networks are studied in detail in this paper. The main contents are as follows: 1. the problem of physical layer security based on Cooperative interference in cooperative cognitive radio networks is studied. Characteristics, a physical layer security scheme using cooperative interference technology is proposed to ensure the reliability and security of communication between primary users and secondary users in the network. In particular: 1) using the semidefinite programming theory, combining with zero forcing beam forming technology, the beamforming vector and decoding vector of each node in the network are derived, and 2) the use of geometric rules is used. Under the condition of global power constraints, the network node power distribution vector is optimized and the optimal solution of the security capacity is obtained. 3) the interference source multi selection problem is studied. The alliance game formation theory is used. According to the merger split rule and the maximum Pareto comparison standard, the interference source multi selection algorithm is proposed, and the stable convergence is obtained. The interference source alliance structure.2. studies the interference source relay joint joint selection problem in cooperative cognitive radio networks. It is realized that the assumption that the channel state information is known instantaneously in the cooperative node is too ideal. This paper considers the state information distribution of the channel state information which can only be known, and proposes the optimal stop. The interference source relay joint joint selection scheme of the stop theory, specifically: 1) modeling the joint selection problem of the interference source relay node as the optimal stopping problem, considering the network security capacity and time efficiency, designed the stop return function; 2) derives the expected value of the revenue function of each step, and puts forward the optimal stopping criterion. The selection algorithm based on optimal stopping theory is presented and the convergence property of the algorithm is proved. 3) the existence of the optimal observation sequence is proved, and the optimal observation sequence of secondary users is derived by using dynamic programming, and the performance.3. of the scheme is optimized to study the problem of interference source in the cooperative cognitive wireless network. In this paper, a interference source incentive scheme using energy collection technology is proposed in this paper. In addition, the channel state information of the eavesdropper is known in this paper. The assumption that the weakening is only partially informed of the partial channel state information of the eavesdropper, specifically: 1) based on the uncertain norm constraint model of the channel, using the robust optimization method, the transmission power covariance matrix of each node in the worst case is optimized, and the network security performance is improved; 2) the interference source energy collection - cooperative interference is defined. Assist mode, using energy collection technology to achieve the balance of energy consumption of interference sources; 3) a reasonable auction pricing strategy is designed based on the interference source incentive algorithm of Vicky auction, and the optimal strategy equilibrium solution is obtained. It proves that the algorithm satisfies the user honesty and the nature of the user's personal rationality. At the same time, the user's security performance is effectively stimulated by the secondary users.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN925

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本文編號(hào)：1963669