衰落信道上WCDMA和联合收发分集的物理层安全性能研究

发布时间：2020-07-09 21:25

【摘要】：传统无线通信系统的安全主要基于物理层上层的对称密码机制和公钥密码机制的加密算法来解决,破解密码所需的极高计算复杂度使加密数据的安全性得以保证。随着窃听者计算机能力的提升,这种依赖于计算复杂度的安全机制正日益受到挑战。而另一方面,由于无线信道的广播特性和网络结构的不断扩大,导致密钥的分发、管理遇到极大的困难。在此背景下,无线通信物理层安全技术为无线通信的安全传输开辟了一条新的解决途径,该技术利用无线信道的物理特性来实现信息论意义上的安全传输。本文将分别研究多输入多输出平坦衰落信道和频率选择性衰落信道上的物理层安全问题。由于非理想信道状态信息(CSI)和反馈延时等因素的影响,将导致平坦衰落信道上采用发射天线选择(TAS)/接收最大比合并(MRC)联合收发分集无线通信系统的物理层安全性能的恶化。最小均方误差(MMSE)信道预测器是减轻非理想CSI和延时影响的一种有效措施。首先,本文研究瑞利块衰落信道上采用信道预测发射天线选择(TASP)/MRC联合收发分集无线通信系统的物理层安全性能。分别推导了单窃听或多窃听者场景下瑞利块衰落信道上采用MMSE信道预测器和TASP/MRC联合收发分集无线通信系统的非零安全容量概率、安全中断概率及其渐近安全中断概率的解析表达式,并给出数值计算和仿真结果。研究结果表明,增加合法接收端天线数有助于改善反馈延时对TASP/MRC分集安全性能造成的影响;当窃听者的数目或天线数增加时,均会恶化TASP/MRC分集的安全性能;TASP/MRC分集的安全分集增益为合法接收端天线数,与窃听者的数目或天线数无关。发送端采用空时分组码(STBC)和接收端采用二维瑞克(2D-RAKE)接收机联合收发分集的宽带码分多址(WCDMA)系统是第三代移动通信系统的三个标准之一,其物理层安全的研究应受关注。为此,本文研究频率选择性相关Nakagami衰落信道上采用STBC和2D-RAKE接收机的WCDMA系统的物理层安全性能。分别推导了单窃听或多窃听者场景下频率选择性相关Nakagami衰落信道上采用STBC和2D-RAKE接收机的WCDMA系统的非零安全容量概率、安全中断概率和渐近安全中断概率的解析表达式,并给出数值计算和仿真结果。研究结果表明,主信道的Nakagami衰落系数愈大时,WCDMA系统的安全性能愈好;合法接收端天线阵的相关系数增加将恶化WCDMA系统的安全性能;WCDMA系统的安全分集增益为主信道各个可分离路径上的分集增益之和,与窃听者的数目或天线数无关。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92

【参考文献】