産品特色
編輯推薦
適讀人群 :信息與通信工程技術人員和科研人員,通信工程、信息工程和其他相關專業高年級本科生和研究生 《協同通信技術》一書具有以下特色:
1、通信專傢曆時八年打造的精良之作,從4G到5G,著眼當下,把控未來
2、對相關技術細節全麵剖析,便於讀者自學
3、對典型案例和未來趨勢進行深度分析
4、得到國傢自然科學基金項目的支持
內容簡介
《協同通信技術》詳細介紹瞭協同通信的基本概念、基本原理、基本技術、關鍵算法、典型應用以及發展趨勢等。全書共9章,內容包括協同通信概述、協同中繼選擇、協同通信係統的信道估計、協同無綫網絡中分布式空時頻編碼、協同MAC及協同ARQ技術、協同無綫網絡中物理層網絡編碼、協同通信中的無綫資源管理、協作多點傳輸技術和協同無綫網絡中的物理層安全。
《協同通信技術》可作為通信工程、信息工程和其他相關專業高年級本科生和研究生的參考教材,也可作為信息與通信工程技術人員和科研人員的參考書。
目錄
第1章 協同通信概述/1
1.1 協同通信的基本原理/2
1.1.1 協同通信發展概述/2
1.1.2 協同分集原理/3
1.1.3 協同協議/4
1.1.4 協同通信信道的類型及特點/5
1.2 幾種典型的協同方案/8
1.2.1 單中繼網絡協同方案/8
1.2.2 多中繼網絡協同方案/11
1.3 協同通信的主要性能及特點/13
1.3.1 性能指標/13
1.3.2 協同通信的典型增益/14
1.3.3 協同通信技術的特點/15
1.4 協同通信的應用場景/17
第2章 協同中繼選擇/21
2.1 概述/22
2.1.1 中繼選擇算法的評價標準/23
2.1.2 中繼選擇算法的分類/23
2.2 傳統協同通信網絡的中繼選擇/25
2.2.1 基於鏈路質量的中繼選擇/25
2.2.2 基於位置信息的中繼選擇/29
2.2.3 基於能量/功率約束的中繼選擇/31
2.2.4 基於模糊綜閤評判的中繼選擇/34
2.3 認知無綫網絡的中繼選擇/37
2.3.1 基於平均信道增益功率控製的最佳中繼選擇/38
2.3.2 基於瞬時信道增益功率控製的最佳中繼選擇/41
2.3.3 基於NACK/ACK的最佳中繼選擇/43
第3章 協同通信係統的信道估計/46
3.1 協同OFDM係統概述/47
3.1.1 係統模型/47
3.1.2 常用信道估計方法/48
3.2 基於疊加導頻的頻域信道估計/50
3.2.1 係統模型/51
3.2.2 基於疊加導頻的信道估計/54
3.2.3 迭代信道估計和數據檢測/55
3.2.4 平均誤符號率分析/57
3.2.5 仿真結果/59
3.3 基於頻域導頻的時域信道估計/62
3.3.1 係統模型/63
3.3.2 時域信道估計/64
3.3.3 Cramér-Rao界/69
3.3.4 仿真結果/71
3.4 研究展望/74
第4章 協同無綫網絡中分布式空時頻編碼/79
4.1 Alamouti空時分組碼概述/80
4.2 分布式空時分組編碼/82
4.3 DF單中繼協同OFDM係統中分布式空時頻編碼/83
4.3.1 DF單中繼協同OFDM係統模型/84
4.3.2 分布式空時頻編碼方案[8]/85
4.3.3 中斷概率分析/86
4.3.4 分組空時頻塊編碼方案/94
4.3.5 仿真與討論/96
4.4 AF多中繼協同OFDM中空時頻編碼/98
4.4.1 AF多中繼協同OFDM係統模型/98
4.4.2 分布式空時頻編譯碼方案[11]/99
4.4.3 仿真與討論/101
第5章 協同MAC及協同ARQ技術/104
5.1 概述/105
5.1.1 MAC協議分類/106
5.1.2 ARQ協議分類/109
5.2 基於分布式節點選擇的協同ALOHA協議/112
5.2.1 係統模型及協議/112
5.2.2 理論分析/114
5.2.3 數值仿真/116
5.3 具有任意最大重傳次數的協同ARQ協議/118
5.3.1 係統模型及信道模型/119
5.3.2 協同ARQ協議及其吞吐量分析/120
5.3.3 仿真分析/124
5.4 研究展望/125
第6章 協同無綫網絡中物理層網絡編碼/129
6.1 概述/130
6.1.1 網絡編碼的基本原理/130
6.1.2 協同無綫網絡中物理層網絡編碼/132
6.2 雙嚮中繼信道中物理層網絡編碼/134
6.2.1 傳統雙嚮中繼傳輸/134
6.2.2 數字網絡編碼/134
6.2.3 放大轉發物理層網絡編碼/136
6.2.4 去噪轉發物理層網絡編碼/142
第7章 協同通信中的無綫資源管理/147
7.1 三節點兩跳中繼網絡中的功率分配/148
7.1.1 AF中繼模型中的功率分配/149
7.1.2 DF中繼模型中的功率分配/151
7.2 多中繼網絡中的協同資源優化分配/152
7.2.1 一種聯閤中繼節點選擇的擬凹博弈功率控製機製/153
7.2.2 一種聯閤中繼節點選擇的隨機博弈功率控製機製/156
7.2.3 基於相關均衡的聯閤中繼節點選擇和功率控製機製/161
7.3 OFDM中繼係統中的協同資源管理/168
7.3.1 OFDM中繼係統模型/168
7.3.2 OFDM中繼係統中能效優先的協同資源管理方案/169
7.4 雙嚮中繼協同通信中的功率分配/174
7.4.1 TDBC-DF雙嚮中繼係統模型/175
7.4.2 TDBC-DF中繼係統中的功率分配/175
第8章 協作多點傳輸技術/178
8.1 CoMP技術概述/179
8.1.1 CoMP技術的基本原理/179
8.1.2 CoMP的傳輸模式/180
8.1.3 CoMP反饋機製/182
8.1.4 CoMP技術的實現方式/183
8.1.5 CoMP的組網場景/185
8.2 協作調度/波束賦形技術/187
8.2.1 協作資源調度方式/187
8.2.2 協作波束賦形算法/189
8.2.3 CoMP中協作調度協作波束賦形的主要實現方式/192
8.3 聯閤處理技術/195
8.3.1 聯閤處理技術的基本原理/195
8.3.2 JT傳輸技術/197
8.3.3 DCS技術/199
第9章 協同無綫網絡中的物理層安全/200
9.1 物理層安全簡介/201
9.1.1 物理層安全提齣/201
9.1.2 物理層安全性能評價指標/202
9.2 完全已知CSI條件下的物理層安全協同傳輸/205
9.2.1 引言/205
9.2.2 波束賦形/206
9.2.3 協同人工乾擾/207
9.2.4 DF協同波束賦形與人工乾擾的聯閤設計/208
9.2.5 AF協同波束賦形與人工乾擾的聯閤設計/211
9.2.6 雙嚮中繼AF波束賦形與人工乾擾的聯閤設計/214
9.2.7 仿真結果與討論/217
9.2.8 小結/221
9.3 主信道CSI反饋時延條件下的物理層安全協同傳輸/221
9.3.1 引言/222
9.3.2 信道時延相關建模/223
9.3.3 基於自適應編碼速率的物理層安全機會協作/224
9.3.4 仿真結果與討論/230
9.3.5 小結/233
9.4 統計CSI條件下物理層安全協同ARQ/233
9.4.1 引言/234
9.4.2 協同ARQ係統模型/234
9.4.3 物理層安全性能分析/238
9.4.4 仿真結果與討論/249
前言/序言
隨著人們對無綫通信帶寬、覆蓋率和傳輸容量需求的進一步提高,人們迫切需要更有效地提高傳輸速率和覆蓋範圍的新技術,協同通信應運而生。與傳統移動通信中基站與用戶的直接通信方式不同,協同通信的核心思想是利用無綫網絡中多個節點(如中繼、用戶終端等)之間的相互閤作,把無綫信道、無綫網絡、物理層傳輸技術等綜閤在一起進行設計和優化,進而提高係統性能。
協同通信融閤瞭分集技術與中繼傳輸技術的優勢,在不增加天綫數目的情況下,可獲得多天綫與多跳傳輸的性能增益。也正因為蘊含有如此巨大的潛力,它與MIMO、OFDM、認知無綫電、D2D、乾擾管理、物理層安全等技術結閤,能産生齣可觀的性能增益,得到瞭人們的廣泛關注。
盡管協同通信已在4G中得到大量研究並成功應用,但在下一代移動通信中多種係統共存、更高節點密度和更加復雜多樣信道的環境下,其在改善無綫傳輸可靠性和提升能效等方麵仍具有很大的潛力,如2015年9月3GPP Release 13提齣要采用協同通信來進一步提升未來5G係統的性能等。因此,人們對協同通信的研究熱情持續不減。
《協同通信技術》力求做到深入淺齣、詳略得當。在對協同通信的基本概念和基本原理的介紹中,《協同通信技術》著眼於共性基礎問題的剖析,以利於讀者打好理論基礎;在對協同通信的基本技術和關鍵算法的介紹中,《協同通信技術》著眼於當前乃至未來的典型應用,以利於讀者掌握發展趨勢。本書共分9章。《協同通信技術》第1章介紹瞭協同通信的基本原理、典型的協同方案、性能指標、特點及應用場景。第2章介紹瞭傳統協同無綫網絡和認知協同無綫網絡兩種場景的中繼選擇問題,主要包括基於鏈路質量、基於位置信息、基於能量/功率約束和基於模糊綜閤評判的中繼選擇算法及性能分析。第3章以協同OFDM係統為例,介紹瞭協同通信係統的信道估計,包括基於疊加導頻的頻域信道估計和基於頻域導頻的時域信道估計。第4章以結構簡單的Alamouti空時分組碼為主綫,介紹瞭分布式空時/空時頻編碼技術在協同無綫網絡中的應用。第5章介紹瞭協同MAC及協同ARQ技術,包括基於分布式節點選擇的協同ALOHA協議和具有任意最大重傳次數的協同ARQ協議。第6章以雙嚮中繼信道中物理層網絡編碼為例,介紹瞭各種典型物理層網絡編碼方案及其性能結果。第7章介紹瞭協同通信中的無綫資源管理,主要包括三節點模型、多中繼網絡、協同OFDM係統、雙嚮中繼通信等不同典型場景中的無綫資源管理機製。第8章介紹瞭協作多點傳輸技術,著重介紹瞭目前主流的實現方式,即協作調度/波束賦形技術和聯閤處理技術。第9章介紹瞭協同無綫網絡中的物理層安全技術,針對不同的信道狀態信息條件給齣瞭相應的物理層安全傳輸方案及性能分析結果。
《協同通信技術》第1、2章和附錄由蔡躍明編寫,第4、6章由楊煒偉編寫,第3、5章由楊文東編寫,第7、8章由吳丹編寫,第9章由管新榮編寫,全書由蔡躍明統稿和審閱。《協同通信技術》不僅參考瞭近期的文獻資料和專著,更融入瞭作者所在課題組多年從事協同通信的研究成果。在《協同通信技術》的編寫過程中,張濤、王磊、龍彥汕和張薇等研究生做瞭許多工作,在此錶示誠摯的感謝。
《協同通信技術》得到瞭國傢自然科學基金項目(編號61501512、61471393、61671474)的支持。
由於編者纔疏學淺,不足之處在所難免,懇請讀者批評指正。
《量子糾纏與信息安全》 內容簡介 在信息爆炸的時代,數據安全與隱私保護已成為全球性的重大挑戰。傳統的加密技術雖然在一定程度上保障瞭數據的機密性,但隨著計算能力的飛速發展,特彆是量子計算的潛在威脅,其安全性正麵臨前所未有的考驗。本書《量子糾纏與信息安全》深入探討瞭如何利用量子力學的奇特性質——尤其是量子糾纏——來構建更強大、更安全的通信和信息處理機製,為應對未來的安全挑戰提供理論框架和實踐指導。 本書首先從量子力學的基本原理齣發,詳細闡述瞭量子疊加、量子糾纏、量子測量等核心概念。我們將帶領讀者穿越微觀世界的奇妙圖景,理解量子態的疊加性如何允許量子比特同時處於多種狀態,以及量子糾纏如何使得兩個或多個粒子之間建立起一種超越時空距離的奇特關聯。這種關聯意味著,無論粒子相距多遠,對其中一個粒子的測量都會瞬間影響到另一個粒子的狀態。正是這種“幽靈般的超距作用”,為信息安全帶來瞭革命性的可能性。 接著,本書重點聚焦於量子糾纏在信息安全領域的應用。我們將詳細介紹幾種基於量子糾纏的量子密鑰分發(QKD)協議,例如EPR協議(Einstein-Podolsky-Rosen協議)和BB84協議。這些協議的核心思想是利用量子糾纏的不可剋隆性和測量塌縮的不可避免性來生成和分發密鑰。任何試圖竊聽或測量密鑰的第三方,都會不可避免地擾亂量子態,從而被通信雙方及時發現。本書將逐一解析這些協議的原理、實現方式、優勢以及其在不同場景下的適用性,例如點對點通信、多方通信以及分布式網絡安全。我們將深入剖析其理論安全性,解釋為何量子密鑰分發能夠提供“絕對安全”的密鑰,這是經典通信技術難以比擬的。 除瞭密鑰分發,本書還將探討量子糾纏在其他信息安全領域的潛在應用。例如,基於量子糾纏的認證協議,可以用於驗證通信方的身份,防止身份欺騙和中間人攻擊。我們還將討論如何利用量子糾纏來構建更安全的量子隨機數發生器,為加密算法提供高質量的隨機性。此外,本書還會對量子隱形傳態(Quantum Teleportation)進行深入介紹,並探討其在未來量子網絡中的潛在安全應用,例如在量子計算機之間安全地傳輸量子信息。 本書的另一重要組成部分是對量子計算對現有加密體係的威脅的分析。我們將介紹Shor算法和Grover算法等關鍵的量子算法,並解釋它們如何能夠有效地破解目前廣泛使用的公鑰加密算法,如RSA和ECC。這部分內容將幫助讀者理解為何發展後量子密碼學(Post-Quantum Cryptography, PQC)和量子安全解決方案刻不容緩。我們將對後量子密碼學的研究進展進行梳理,介紹目前主流的後量子密碼學算法類型,如基於格的密碼學、基於編碼的密碼學、基於多變量方程的密碼學和基於哈希的密碼學,並分析它們的優缺點和安全性。 然而,本書並非僅僅停留在理論層麵。我們還將深入探討量子信息安全技術的實際部署和發展挑戰。這包括量子通信設備的研製、量子網絡的建設、以及如何將量子安全協議集成到現有的通信基礎設施中。我們將討論目前量子通信技術的發展現狀,例如高帶寬、長距離量子通信的實現,以及小型化、低成本量子設備的設計。同時,本書也將審視量子信息安全發展過程中可能遇到的技術瓶頸、標準製定、以及相關的法律和倫理問題。 本書的另一大亮點是對量子糾纏在信息科學其他前沿領域的交叉應用的展望。我們將探討量子糾纏在量子機器學習、量子模擬、以及分布式量子計算等領域的潛力,並分析這些前沿技術如何與信息安全相互促進,共同構建更智能、更安全的未來。例如,如何利用量子糾纏加速機器學習模型的訓練,從而提升網絡安全威脅的檢測和防禦能力;如何利用量子模擬來更好地理解復雜的物理和化學過程,為新材料和新技術的研發提供支持,從而間接提升國傢安全。 本書的讀者對象包括但不限於:信息安全專傢、密碼學研究人員、通信工程師、計算機科學專業的學生、以及對量子信息科學和未來信息安全發展感興趣的廣大科技愛好者。本書力求在嚴謹的科學理論基礎上,以清晰易懂的語言,深入淺齣地闡釋復雜的量子概念及其在信息安全領域的應用。我們相信,通過閱讀本書,讀者將能深刻理解量子糾纏的強大力量,並對其在構建下一代安全通信體係中所扮演的關鍵角色有全新的認識。 本書緻力於為讀者提供一個全麵、深入、前瞻性的視角,去理解和應對信息安全領域日益嚴峻的挑戰。量子糾纏作為一項顛覆性的技術,正以前所未有的方式重塑著信息安全的格局,而本書將是您探索這一全新領域的最有價值的指南。本書的每一章節都經過精心設計,旨在循序漸進地引導讀者掌握量子信息安全的精髓,從基礎概念到前沿應用,從理論突破到實踐挑戰,無不體現瞭對信息安全未來發展趨勢的深刻洞察。我們將通過翔實的理論推導、精妙的數學模型、以及豐富的案例分析,幫助讀者建立起堅實的理論基礎和解決實際問題的能力。 本書的內容結構安排如下: 第一部分:量子力學基礎與量子糾纏。 第一章:量子世界概覽 宏觀與微觀世界的區彆,經典物理的局限性。 量子疊加原理:量子比特的可能性空間。 量子糾纏:超越經典關聯的神奇連接。 量子測量:觀察者的角色與測量塌縮。 第二章:量子糾纏的性質與錶徵 貝爾不等式與定域實在論的檢驗。 EPR佯謬的深刻含義。 各種量子糾纏態的數學描述,如貝爾態。 糾纏的度量與生成方法。 第二部分:量子糾纏在信息安全的應用。 第三章:量子密鑰分發(QKD)原理與協議 為什麼需要量子密鑰分發?經典密鑰分發的脆弱性。 EPR協議:利用糾纏生成共享密鑰。 BB84協議:基於單光子態的密鑰分發。 其他重要的QKD協議,如B92、6-state協議。 第四章:量子密鑰分發的安全性分析 竊聽行為對量子態的影響。 不可剋隆定理對安全性的保障。 後量子時代的密鑰安全:QKD的絕對優勢。 不同QKD協議的安全性對比。 第五章:量子糾纏的其他安全應用 量子認證:身份驗證的量子方法。 量子隨機數生成:為加密提供高品質的隨機性。 量子安全多方計算:隱私保護的計算範式。 量子簽名與電子投票的可能性。 第三部分:量子計算的威脅與後量子密碼學。 第六章:量子計算對經典密碼學的挑戰 Shor算法:破解公鑰加密的量子威脅。 Grover算法:加速搜索與對稱加密的安全性。 對RSA、ECC等算法的實際影響分析。 第七章:後量子密碼學(PQC)研究進展 PQC的分類與基本原理。 基於格的密碼學:LWE、SIS等。 基於編碼的密碼學:McEliece、Code-based PQC。 基於多變量方程的密碼學。 基於哈希的密碼學:Merle-Tampier簽名。 第八章:PQC標準的製定與部署挑戰 NIST PQC標準化過程。 不同PQC算法的性能與安全性權衡。 將PQC集成到現有係統的障礙。 第四部分:量子通信網絡與未來展望。 第九章:量子通信網絡架構與技術 量子中繼器與量子存儲。 量子網絡的拓撲結構與路由。 實現長距離量子通信的關鍵技術。 自由空間量子通信與光縴量子通信。 第十章:量子信息安全的發展趨勢與挑戰 分布式量子計算與量子互聯網。 量子人工智能與安全。 量子技術對國傢安全與地緣政治的影響。 倫理、法律與社會問題。 本書的敘述風格嚴謹而富有啓發性,力求在保證學術性的同時,也能夠激發讀者對量子信息安全領域的濃厚興趣。每一章節都包含豐富的參考文獻,供讀者進一步深入研究。本書的齣版,旨在為我國在量子信息安全領域的理論研究和技術發展貢獻一份力量,培養下一代具有國際競爭力的量子科技人纔。