安全通信网络论文提纲

论文题目：面向信息速率需求的多用户水声通信网络接入、抗扰及安全问题研究

摘要：随着对海洋资源的不断利用与开发,海洋中的作业单元逐步呈现出“由点到网”,“由网到多网”的发展趋势。海洋中的各个作业单元通过声波实现互联,形成了不同功能水下作业网络。海洋中开始呈现出多作业网络共存的现象。水声通信网络中将不再只包括网络内部的用户,同时也包括同样采用声波进行作业的网络外部用户,对水声通信网络进行窃听或者破坏的恶意用户等。上述多类用户组成了一个广义多用户水声通信网络,各类用户共同影响着水声通信网络的性能。针对上述问题,本文以提高多用户网络内部用户信息速率为目标,对多用户水声通信网络开展相关研究。首先,对水声通信信道模型进行归纳与总结,对水声通信物理信道等效低阶模型进行理论分析;然后,基于上述研究内容,对水声通信网络内部多用户接入问题开展研究,包括多用户接入距离快速测量与免授权接入策略两部分研究内容,旨在实现分布式用户接入,并在使用低复杂度均衡器的情况下提高网络用户信息速率;随后,设计鲁棒干扰滤波器,在存在外部干扰的情况下保障网络内部用户信息速率;最后,对于多用户网络安全问题开展研究,实现存在窃听用户情况下的多用户网络接收信息速率最大化。具体研究工作如下:（1）针对水声通信信道模型的研究,基于块传输对水声信道进行分析,给出了水声通信物理信道的低阶等效块传输信道模型。从水声物理入手,充分考虑海洋介质环境对于声波通信的影响,对其产生的相应影响进行统计学分析,对时延扩展和多普勒扩展对于水声通信的影响以块传输的形式进行表示。给出水声通信物理信道低阶等效模型,并从理论角度验证低阶模型与水声通信模型之间的等效性。该部分研究内容为提高水声通信网络用户信息速率提供了相应的理论模型依据。（2）针对多用户水声通信网络内部用户接入测距问题,提出了多用户间快速测距方法,以此实现基于相对位置的网络接入控制。考虑水声通信网络用户对于用户间距快速且精确解算的需求,提出了仅依据传输时间、声速、声速剖面梯度和用户深度的低复杂度精准距离测量方法。方法的准确性与鲁棒性得到了相应的验证。该部分研究为内部用户网络接入策略研究提供了应用基础保障和先决条件。（3）针对多用户水声通信网络内部用户接入策略问题,基于免授权接入技术,提出了可适用高速水声通信时频双选信道的分布式接入策略。考虑水声通信的分集特性,设计接入定时器实现接收机最大化分集阶数跨层用户接入。接收机可采用低复杂度的线性均衡器获得充足的信道分集阶数,有效地降低了符号误码率,并在无用户间信息交互的情况下提高了用户成功接入率,从而提高了网络用户信息速率。同时,在设计中对用户公平性和网络能效性进行了相应的研究。（4）针对外部用户对于多用户水声通信网络的干扰问题,提出了抑制与消除外部用户短束干扰的干扰滤波器。考虑到多用户水声通信网络的用户异构性,基于块传输技术提出了滤波器设计方案,该滤波器在多载波通信用户与单载波通信用户中均适用。在本设计中基于自适应滑窗实现干扰检测,基于鲁棒回归理论实现最小截取二乘均衡,由此实现外部用户干扰估计与消除,降低通信网络内部用户在受到外部用户干扰情况下的误码率,并且在滤波过程中并未造成数据损失。进而,降低了外部用户干扰对于网络内部用户信息速率的影响。（5）针对窃听用户对于多用户水声通信网络的恶意窃听问题,提出了适用于多用户网络协作通信的保密传输策略。考虑到水声通信信道状态信息反馈的不确定性,本文提出了在已知信道状态信息二阶统计量的情况下的优化波束赋形方法。分别在总功率约束和单独功率约束的条件下,给出解码转发模式和放大转发模式下的最优波束赋形最优策略,在保证安全传输不被窃听的前提下,实现网络用户信息速率最大化。

关键词：多用户水声通信网络;信息速率;水下网络接入;水下干扰抑制消除;水下数据安全传输

学科专业：控制科学与工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 多用户水声通信技术

1.2.2 多用户水声通信网干扰抑制问题

1.2.3 多用户水声通信网络安全性问题

1.3 本文主要工作

1.3.1 研究思路

1.3.2 章节安排

第2章 水声信道模型分析与低阶模型等效性验证

2.1 引言

2.2 海洋物理声学信道

2.2.1 海洋介质特性

2.2.2 海水中的声波传输模型

2.2.3 声线模型

2.2.4 水声物理信道特性

2.3 等效通信信道与块传输

2.3.1 水声通信信道模型

2.3.2 块传输技术

2.3.3 时延扩展

2.3.4 多普勒扩展

2.3.5 块衰落信道与时频双选信道

2.4 信道低阶模型分析与等效转换

2.4.1 基扩展信道模型

2.4.2 Jakes信道模型自由度

2.4.3 Jakes信道模型与BEM信道模型之间等效性分析

2.5 仿真与验证

2.5.1 仿真实验 1

2.5.2 仿真实验 2

2.6 本章小结

第3章 多用户水声通信网络接入测距算法研究

3.1 引言

3.2 系统模型与问题构建

3.3 快速测距问题求解

3.3.1 发射掠射角正弦值表达式推导

3.3.2 发射掠射角余弦值表达式推导

3.3.3 接收掠夺角正弦值表达式推导

3.3.4 水平距离表达式推导

3.3.5 任意声速剖面等效

3.3.6 实施步骤

3.4 仿真分析

3.4.1 仿真设置

3.4.2 可行性验证

3.4.3 鲁棒性分析

3.5 本章小结

第4章 多用户水声通信网络免授权接入策略研究

4.1 引言

4.2 分集技术与信道均衡

4.2.1 水声通信信道分集

4.2.2 信道均衡器

4.3 系统模型与问题构建

4.4 基于信道分集的免授权接入技术

4.4.1 跨层免授权接入

4.4.2 接入定时器设计与性能分析

4.5 仿真与性能分析

4.5.1 仿真设置

4.5.2 仿真结果分析

4.6 本章小结

第5章 多用户水声通信网络干扰抑制研究

5.1 引言

5.2 系统模型与问题描述

5.2.1 存在外部干扰情况下的块传输系统模型

5.2.2 单载波用户块传输模型

5.2.3 多载波用户块传输模型

5.3 SI滤波器设计

5.3.1 SI检测

5.3.2 SI估计与消除

5.3.3 SI性能分析

5.4 仿真实验及结果分析

5.4.1 干扰滤波器在单载波通信用户中的测试

5.4.2 干扰滤波器在多载波通信用户中的测试

5.4.3 干扰滤波器在BELLHOP信道中的性能表现

5.4.4 干扰滤波器在真实水声信道中的性能表现

5.5 本章小结

第6章 考虑存在窃听用户情况下多用户水声通信网络安全传输研究

6.1 引言

6.2 系统模型与问题建立

6.2.1 系统模型

6.2.2 多用户协作网络解码转发

6.2.3 多用户协作网络放大转发

6.3 中继用户总传输功率受限下的保密传输速率优化

6.3.1 DF模式下保密传输速率优化

6.3.2 AF模式下保密传输速率优化

6.4 中继用户不同传输功率受限下的保密传输速率优化

6.4.1 DF模式下保密传输速率优化

6.4.2 AF模式下保密传输速率优化

6.5 仿真分析

6.5.1 仿真设置

6.5.2 仿真结果分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

致谢