【无线通信网络的隐蔽传输方案研究现状的文献综述3800字】

无线通信网络的隐蔽传输方案研究现状的文献综述在19世纪初，人们通过隐写术利用隐写墨水和显影剂等的手段，将消息隐藏处理后进行传递从而不让敌方察觉[8]，实现了信息在传输过程中的隐蔽。1983年，Simmons提出了囚犯模型[9]，该模型假设在监狱里，两个囚犯Alice与Bob进行私密的通信，同时检测者Willie对其通信过程做检测并判决两者之间是否存在隐蔽通信。而Alice希望其信息传输行为不被Willile发现，以保障隐蔽通信能够顺利进行。该模型首次为隐蔽通信提供了应用场景模型。1990年，美军开始研究通过扩频技术实现信息的低截获概率通信[10-12]。其原理是将初始信号在宽带中进行扩展，使得信号的功率谱密度大大降低且远低于背景噪声，使信息淹没于白噪声中，从而减少了信息在传输过程中被检测到的概率来实现信息的隐蔽传输。由于扩频技术可以实现信息的隐蔽传输且具有良好的抗干扰能力，因此受到了研究者们的持续关注，但该技术未从系统的传输性能的角度对隐蔽通信进一步展开研究。文献[13]分别从漏检率和误检率的两个方面对信息传输的隐蔽性能进行研究。在此基础上，Han等人综合考虑漏检率和误检率，得到了两者相加后的检验错误概率，并提出了有效保密的概念[14]。而后，Hou和Kramer证明了有效保密容量与窃听信道中的安全传输容量相同[15]。在此基础上，文献[16-20]根据LPD(LowProbabilityofDetection)准则，即传输码字时的输出分布与传输全零序列时的输出分布之间的相对熵必须足够小，确立了隐蔽通信的理论极限，且该理论极限遵循平方根定律(SquareRootLaw,SRL)。在文献[15]中，Bash等人在加性高斯白噪声信道下，推导出了平方根定律，即在检测者的检测错误概率接近1的隐蔽条件下，合法双方在个信道使用下最多能够隐蔽可靠传输比特信息。文献[16-20]研究了加性高斯白噪声信道(AdditiveWhiteGaussianNoise,AWGN)、二进制对称信道(BinarySymmetricChannel,BSC)、及离散无记忆信道(DiscreteMemorylessChannel,DMC)下隐蔽通信的理论极限。文献[21]研究证明当合法链路的信道质量高于检测链路的信道质量时，没有预共享秘密的无密钥隐蔽通信是可以实现的。这些研究在遵循一定的理论极限内很好地实现了信息的隐蔽传输，但当趋于无穷时，每个信道可以秘密和可靠传输的平均比特数为零。平方根定律虽给出了在不被检测者检测到隐蔽传输条件下的可传输的比特的数量级，但该隐蔽信道为零速率信道，因此需要进一步研究来提高隐蔽系统的性能。在以上研究的基础上，研究者们进一步通过向检测者引入各种不确定性来降低检测者的检测性能，使系统获得正传输速率。文献[22-23]研究了检测者对通信时隙不确定时隐蔽系统的容量。由于检测者无法知道源节点用来发送信息所使用的通信时隙，其必须对所有T个通信时隙的信息传输情况进行检测，此时合法方在满足隐蔽传输条件下利用次信道最多可发送个比特信息。文献[24-29]利用信道的不确定性来实现信息隐蔽传输。其中，文献[24-28]利用各节点对信道估计的不确定性，使得检测者无法对信息是否传输做出准确判决。文献[29]分析了不同衰落情况下隐蔽通信性能与信道变化速率的关系，表明该情况下能够隐蔽可靠传输比特。即当信道衰落过快时，其隐蔽传输符合平方根定律；而当信道衰落平缓时，可以使系统获得一定增益。文献[27,30-36]采用噪声不确定性来协助合法方传输隐蔽信息。文献[27,30-33]利用检测者对环境中背景噪声功率的不确定性实现信息的隐蔽传输。文献[34-35]考虑了噪声不确定性的分布情况，研究了有界和无界噪声不确定模型下满足隐蔽通信要求时的最大可达速率。文献[36]研究了干扰信号矢量服从方差变化的高斯分布时，通过干扰器发送干扰信号使得检测者在各时隙中无法估计噪声的大小，从而提升隐蔽系统的性能。除了前文所介绍的通过信道环境本身的噪声引入不确定性外，还可以通过人工噪声对检测者进行干扰[37-49]。其中,文献[37-43]研究了目的节点发送人工噪声对检测者进行干扰，并且目的节点可对接收信号中的自干扰噪声进行消除。文献[44]利用源节点一边发送保密信息，一边发送人工噪声干扰检测者，降低了检测者的检测性能。文献[45-46]使用单个干扰节点发送人工噪声以干扰检测者对隐蔽过程的检测。文献[47]提出了认知干扰节点传输方案。干扰节点可以根据感知结果决定是否发射干扰信号，即在发送端不发送信息时选择发送干扰信号，反之保持静默。该方案使检测者无法区分发送端信息的发送情况，且该方案获得的隐蔽传输速率好于非认知干扰节点系统。以上文献仅对于单个检测者进行检测的隐蔽通信系统展开安全研究，而文献[48]进一步考虑了存在多个非合作检测者的场景，通过蜂窝用户以随机功率发送干扰，并且对该网络的系统性能进行研究以提供更强的安全保护。而文献[49]考虑了存在多个合作的检测者试图检测到隐蔽传输行为时，利用多个干扰节点发送人工噪声来增加无线环境的噪声水平，以协助完成信息的隐蔽传输。此外，无线通信网络可以通过中继节点来完成源到目的节点的远距离信息传输，学者们研究了中继网络环境中的隐蔽通信[26,50-52]。其中，文献[26]除了利用信道的不确定性，还通过协作中继来干扰检测者，使系统获得正的传输速率。文献[50-52]考虑了中继节点除了帮助源节点转发信息外，还以一定概率向目的节点私密地发送隐蔽信息的场景，研究了在放大转发单向中继网络下的系统性能。进一步，系统可以通过中继选择技术选取合适的中继节点来协助传输保密信息，从而提高系统的隐蔽传输速率。例如：文献[53]同样考虑了中继节点在转发源的信息的同时，也机会性地发送隐蔽消息的情况。该文献根据中继到目的节点的信道系数选取最优中继来获得最佳的隐蔽传输速率。但其假设中继是可信的，而在协作中继为不可信的情况下，中继在帮助源转发信息的同时，也会存在对信息进行窃听的可能。文献[54]针对多个不可信中继网络，分别研究了多个检测者进行合作/非合作情形下系统的安全性能。当多个检测者进行合作时，将源和所选中继的接收信号进行最大比合并来提高其检测性能；而当各检测者为非合作关系时，考虑以检测能力最强的检测者获得的最小检验错误概率来衡量系统的隐蔽性能。同样该文献依据中继到目的节点的信道系数最大来选择最优中继，使系统的传输性能得到提升。与文献[53][54]的中继选择方案不同，文献[55]在多个合作或非合作的窃听者的情形下，以最大化瞬时保密速率为准则，综合考虑中继到各节点之间的信道质量，提出了一种中继选择方案，提升了系统的瞬时保密速率。以上文献通过协作干扰和中继选择技术可以获得良好的系统性能，接下来对于具体的无线通信网络的隐蔽传输方案研究展开介绍。文献[37-43]针对单跳的隐蔽传输网络，研究了检测者采用单阶段检测以判决该阶段是否有无隐蔽通信。这些文献通过使该阶段的最小检验错误概率满足隐蔽约束条件来保障信息的隐蔽传输。对于保密信息分为两个阶段进行传输的情况，文献[56-57]，[51,58-59]分别研究了检测者对单个的信息传输阶段和信息传输的两个阶段进行检测的隐蔽通信情况。其中，文献[56]研究了在放大转发方式下，全双工中继既接收源节点的信息，同时又向目的节点无时延地转发信息。在该系统中，检测者仅对源节点发送信息的过程进行检测。在文献[57]中，中继节点工作在半双工模式下，以协助源节点完成保密信息的传输。该情况下，检测者也只对源节点是否发送保密信息的情况进行检测。文献[56-57]通过使检测者的最小检验错误概率满足给定约束条件来满足系统的隐蔽性能。以上文献均为检测者进行单阶段检测的情况，当检测者可以对两跳信息传输的两个阶段均做检测时，文献[54,58]研究了网络中存在不可信中继的情形下，通过各跳的最小检验错误概率均满足给定隐蔽阈值来保障信息的隐蔽传输。文献[59]通过限制各跳的容量，使检测者在每跳中的检验错误概率均大于给定阈值。这些文献在保障信息隐蔽传输的前提下使系统的隐蔽传输速率最佳。从以上文献可以看出，利用隐蔽通信技术可以有效提高信息传输的隐蔽性，但总体而言关于隐蔽通信的研究仍处于起步阶段，可进一步通过对隐蔽传输方案进行研究以提升系统性能；第二，针对检测者对信息传输的两个阶段进行检测的情况，已有学者对其进行隐蔽传输方案的安全研究。在此情况下，我们进一步对两阶段检测的系统性能展开研究。随后也研究了存在检测者和检测者两种安全威胁下的隐蔽传输方案。参考文献MuneerBaniY,ShadiA,EtharQ,etal.Comprehensivestudyofsymmetrickeyandasymmetrickeyencryptionalgorithms[C].InternationalConferenceonEngineeringandTechnology(ICET),2017:1-7.赵家杰，彭建华，黄开枝.基于人工噪声的多用户MIMO系统加密算法[J].电子与信息学报，2012，34(08)：1939-1943.任品毅，唐晓.面向5G的物理层安全技术综述[J].北京邮电大学学报，2018，41(05):69-77.贺冰涛.非可信中继网络物理层安全技术研究[D].西安电子科技大学，2019.LeeS,BaxleyRJ,WeitnauerMA,etal.Achievingundetectablecommunication[J].JournalofSelectedTopicsinSignalProcessing,2015,9(7):1195-1205.ShihaoY,XiangyunZ,JinsongH,etal.LowProbabilityofDetectionCommunication:OpportunitiesandChallenges[J].

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