有限字符输入的多天线系统物理层安全技术研究

发布时间：2019-01-05 04:46

【摘要】：无线物理层安全技术旨在开发合法信道和窃听信道之间的空域特征差异,利用或创造合法信道的质量优势,为通信系统提供信息理论安全(Information Theoretical Security),可以辅助通信协议高层的加密安全方法。随着多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)等多天线技术的快速发展与应用,空间谱资源得到了有效开发,可以为物理层安全提供更大的空间自由度,同时保证无线通信的可靠性和有效性。另外,考虑到无线数字通信的广泛使用,而数字调制信号具备有限字符特性,本文重点研究有限字符输入的多天线系统物理层安全技术。无线数字通信系统的有限字符特性给窃听者提供了攻击可能。为消除该安全隐患,本文基于信息论,从两个方面对有限字符输入的多天线系统保密互信息进行了优化:一是开发无线信道空域特征差异,如衰落、空间自由度和噪声等,最小化窃听信道互信息;二是对MIMO信道进行线性预编码,最大化合法信道互信息。主要研究内容包括:1.基于信息论,对有限字符输入系统中人工噪声辅助的波束形成方法进行安全性分析,指出有限字符输入信号(保密信号)与多天线窃听者的无噪接收信号之间可以等效成一个离散有噪无损信道(Discrete Noisy Lossless Channel,DNLC),致使安全方法失效。从几何角度而言,窃听者的无噪接收信号服从超平面分布,其特征规律可以被统计出来,从而实现窃密。据此,本文指出有限字符输入系统安全传输的充分条件是破坏窃听者的DNLC结构。根据该条件,分别设计随机幅/相调制的保密信号和类符号人工噪声,保证系统的安全性。2.基于MIMO系统提出一种内生隐藏的跳空安全传输方法。该方法通过建立发送符号与接收天线索引之间的映射关系,实时生成跳空图样,无需分发跳空图样,扩展了应用范围。更为重要的是,该方法开发了收发双方之间冗余的无线信道资源,通过随机快速切换无线信道,有效隐藏了保密信号的有限字符特性,破坏了窃听者的DNLC结构,从而保证了系统的安全性。3.将空间调制拓展到MIMO系统中,提出一种空间调制物理层安全传输方法,将收发双方之间冗余的无线信道资源用于信息传输和保障安全。该方法将发送信息分为信道调制和信号调制信息两部分,建立数字调制符号与接收天线索引之间的映射关系,在信号调制信息的传输过程中,将接收天线索引映射为额外的信道调制符号,提高了传输效率。另外,由于信道调制符号的随机性,该方法随机切换无线信道,破坏了窃听者的DNLC结构,保证了系统的安全性。4.设计MIMO线性预编码技术,最大化合法信道的平均互信息,提高通信系统的可靠性。由于有限字符输入下信道互信息关于线性预编码矩阵非凸,现有的预编码最优化设计方法计算复杂度极高。本文基于空间分集增益改进了空时线性星座预编码(Space Time Linear Constellation Precoding,ST-LCP)方法,并融合最大化最小输出信号间距的方法,设计了一种联合预编码算法。该算法在各种信道和SNR条件下所得信道互信息均能逼近信道互信息的理论最大值,且无需迭代或搜索,计算复杂度很低。
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【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN918

【参考文献】