An Overview of Key Technologies in Physical Layer Security

The open nature of radio propagation enables ubiquitous wireless communication. This allows for seamless data transmission. However, unauthorized users may pose a threat to the security of the data being transmitted to authorized users. This gives rise to network vulnerabilities such as hacking, eavesdropping, and jamming of the transmitted information. Physical layer security (PLS) has been identified as one of the promising security approaches to safeguard the transmission from eavesdroppers in a wireless network. It is an alternative to the computationally demanding and complex cryptographic algorithms and techniques. PLS has continually received exponential research interest owing to the possibility of exploiting the characteristics of the wireless channel. One of the main characteristics includes the random nature of the transmission channel. The aforesaid nature makes it possible for confidential and authentic signal transmission between the sender and the receiver in the physical layer. We start by introducing the basic theories of PLS, including the wiretap channel, information-theoretic security, and a brief discussion of the cryptography security technique. Furthermore, an overview of multiple-input multiple-output (MIMO) communication is provided. The main focus of our review is based on the existing key-less PLS optimization techniques, their limitations, and challenges. The paper also looks into the promising key research areas in addressing these shortfalls. Lastly, a comprehensive overview of some of the recent PLS research in 5G and 6G technologies of wireless communication networks is provided.     

无线携能通信系统中基于能量获取比例公平的波束成形设计

针对无线携能通信系统中存在能量获取不均衡的问题, 提出了一种基于能量获取比例公平的波束成形设计方案. 该方案在满足信息接收者的信干噪比以及发送端的最大发送功率等约束条件的基础上, 通过优化波束矢量实现能量获取的比例公平. 此设计在数学上是一个很难直接求解的非凸优化问题.为此, 本文首先利用半定松弛技术将其转换为半定规划问题, 然后结合二分法提出了可以获得最优波束矢量的迭代算法.此外, 在发送端仅知道部分信道状态信息且知道信道误差范围的情况下, 采用最差性能最优的方法对原优化问题进行了鲁棒波束成形设计, 并提出了相应的迭代算法. 仿真结果表明所提算法均可实现能量获取的比例公平且性能达到全局最优.     

瞬时混合盲源分离和最优波束形成的关系研究

最优波束形成和盲源分离是近几十年迅速发展起来的两种重要阵列信号处理方法,在瞬时混合情况下它们具有相似的信号模型,所以本文研究了二者之间的关系。指出,当不存在噪声时,多数盲源分离算法构造的是最优波束形成;当存在噪声时,可以利用盲源分离算法估计的信号导向向量设计最优波束形成。计算机仿真实验验证了这一结论。     

平面波超声成像中的波束合成方法研究进展*

平面波成像通过单次全孔径发射-接收即可获取整幅图像,将成像帧频显著地提升至1000帧/秒以上。然而,平面波成像过程中发射的非聚焦波束将导致回波信号信噪比降低,进而使图像的分辨率和对比度变差。通过多角度相干复合成像技术可以改善平面波成像的图像质量,但是会以牺牲帧频为代价。因此研究人员们开始将新型波束合成技术引入平面波成像中,例如自适应波束合成、基于逆问题求解的波束合成及基于深度学习的波束合成方法等,以期实现图像质量和成像帧频间更好的权衡。该文综述了平面波成像中的新型波束合成方法领域的研究进展,并对该应用进行了总结和展望。     

Array gain for a conformal acoustic vector sensor array:An experimental study

An acoustic vector sensor can measure the components of particle velocity and the acoustic pressure at the same point simultaneously, which provides a larger array gain against the ambient noise and a higher angular resolution than the omnidirectional pressure sensor. This paper presents an experimental study of array gain for a conformal acoustic vector sensor array in a practical environment. First, the manifold vector is calculated using the real measured data so that the effects of array mismatches can be minimized. Second, an optimal beamformer with a specific spatial response on the basis of the stable directivity of the ambient noise is designed, which can effectively suppress the ambient noise.Experimental results show that this beamformer for the conformal acoustic vector sensor array provides good signal-tonoise ratio enhancement and is more advantageous than the delay-and-sum and minimum variance distortionless response beamformers.     

基于PS12台阵的微弱爆炸信号识别技术

对GSN台网的HIA地震台站与CTBTO/IMS的PS12地震台阵记录的2007年12月11日河北怀来“明灯1号”爆炸及2006年10月9日朝鲜爆炸事件进行对比分析。结果显示:PS12台阵子台监测的P波信噪比提高至普通台站监测的P波信噪比的4.6倍;利用聚束技术进一步压低噪声后,PS12台阵聚束信号的信噪比提高至单个钻井台站的3倍,比普通HIA台站记录的地震信号信噪比高10多倍。研究结果表明,钻井小孔径台阵可高效提高微弱信号的检测能力。     

一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.     

无线通信系统设计中的两个优化问题和相关优化方法

无线通信系统设计中的许多问题可建模为优化问题.一方面,这些优化问题常常具有高度的非线性性,一般情况下难于求解;另一方面,它们又有自身的特殊结构,例如隐含的凸性、可分性等.利用优化的方法结合问题的特殊结构求解和处理无线通信系统设计问题是近年来学术界研究的热点.本文重点讨论无线通信系统设计中的两个优化问题和相关优化方法,包括多用户干扰信道最大最小准则下的联合传输/接收波束成形设计和多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)检测问题,主要介绍现代优化技术结合问题的特殊结构在求解和处理上述两个问题的最新进展.     

有距离辨识度的传声器阵列波束优化算法研究*

小尺度线性传声器阵列在便携式通信设备中具有潜在应用前景,其波束优化算法大多关注于抑制来自与声源不同方向的噪声,而不能有效地抑制与声源同方向的噪声。本文通过对几种典型波束优化策略进行改进,增加线性约束条件,使得阵列兼具方向和距离辨识度。论文对比了几种优化方法的波束性能,同时讨论了约束条件对波束旁瓣的影响,并提出了鲁棒性的优化方案。仿真结果显示,合理的优化策略和线性约束条件可以使阵列波束获得很好的聚焦性能。     

一种新的稳健波束形成算法及其一维搜索策略

存在条件失配时自适应波束形成器的性能急剧下降,凸优化技术的引入使稳健波束形成器的设计更加灵活,但同时带来了计算复杂度的增加和工程实现上的困难.针对上述问题,提出了一种基于最小二乘估计的稳健波束形成算法,并推导得到一种基于一维搜索的求解方法.首先利用广义旁瓣对消器的结构将标准Capon波束形成器转化为稳健最小二乘问题,并将该问题转化为二阶锥规划的形式.为了减少计算量,利用二阶锥规划问题的原始问题和对偶问题的关系,将求解过程转化为一维搜索,并利用牛顿迭代法获得最优解,从而获得与标准Capon波束形成相近的计算复杂度.仿真分析表明,该算法具有良好的抗导向矢量失配和快拍数不足的稳健性.