MIMO系统中物理层安全研究

发布时间：2017-06-26 05:08

  本文关键词：MIMO系统中物理层安全研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着移动通信技术的快速发展,无线网络得到更为广泛的普及。然而,无线信道的开放性,网络的多样性和复杂性,使得无线通信系统更容易受到安全攻击,而传统的加密解密方式,随着终端计算能力的增强以及无线网络中密钥分配问题,使之变得容易破解。因此,基于物理层安全的保密体系成为近几年来学术界研究的热点之一。物理层安全技术是充分利用无线信道的随机性,通过适用于安全的信道编码,预编码等相关技术,使得在窃听者接收到的有用信息量以概率趋向于零的条件下,保证合法接收者能够以一定的安全速率正确接收信息。 本文在此背景下,对物理层安全技术进行了详细讨论,并对国内外的研究现状作了总结。然后根据不同的通信场景,对发送节点的预编码方案做了深入研究。论文的主要研究内容及贡献如下： 第一,在广播窃听信道中,设计发送节点的预编码方案,提升系统的安全中断性能。在保证安全速率不变的情况下,联合时空两维资源,将符号扩展到多个时隙进行传输,可以获得额外的时间分集增益,从而降低了系统的安全中断概率。此外,为了对所提方案的安全性能进行量化分析,本文同时理论推导出所提方案的安全中断概率的分集阶。 第二,在中继窃听信道中,设计中继节点的波束成形方案。本文考虑了一种更为实际的场景,即中继节点被多个窃听者同时监听,中继节点到合法接收节点与中继节点到窃听节点之间的信道为非完美信道。为了提高系统的频谱利用率,本文联合设计中继节点的波束成形以及人工噪声方案,最大化最差情况安全速率。 第三,在双向中继窃听信道中,设计中继节点的发送波束成形以及中继节点和源节点之间的功率分配方案。中继节点采取物理层网络编码(Physical Layer Network Coding, PNC)的转发方式,进一步提高系统的安全性能。本文提出了一种联合设计中继节点波束成形以及功率控制方案,最大化系统的安全和速率。此外,为了降低算法的复杂度,本文同时提出了一种具有闭式解的次优化算法,分别优化中继节点的波束成形与各节点之间的功率分配方案。 第四,在干扰窃听信道中,设计各发送节点之间的波束成形方案,最大化系统的安全和速率。在各个发送节点功率受限的情况下,本文提出了一种集中式的迭代优化算法,充分利用干扰信道的广泛存在的干扰信号,干扰窃听节点的正常接收,同时减少合法接收节点之间的相互干扰,提升系统的安全和速率。
【关键词】：MIMO系统 物理层安全 符号扩展 波束成形 物理层网络编码 干扰信道
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN919.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 物理层安全简介11-13
• 1.3 MIMO系统中物理层安全的预编码技术13-14
• 1.4 本论文主要研究内容及结构14-17
• 第二章 广播窃听信道中的物理层安全17-27
• 2.1 多天线系统下的窃听信道模型17-18
• 2.2 基于符号扩展的预编码18-25
• 2.2.1 符号扩展设计19-20
• 2.2.2 安全速率分析20-22
• 2.2.3 中断概率分析22-25
• 2.3 仿真结果25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 单向中继窃听信道中的物理层安全27-39
• 3.1 研究背景27
• 3.2 单向中继窃听信道模型及问题描述27-30
• 3.3 非完美CSI中继窃听信道预编码设计30-34
• 3.4 仿真结果34-37
• 3.5 本章小结37-39
• 第四章 双向中继窃听信道下的物理层安全39-51
• 4.1 研究背景39-40
• 4.2 双向中继窃听信道模型及问题描述40-43
• 4.2.1 信道模型40-41
• 4.2.2 安全问题描述41-43
• 4.3 双向中继窃听信道预编码设计43-49
• 4.3.1 联合优化方案43-46
• 4.3.2 次优化方案46-49
• 4.4 仿真结果49
• 4.5 本章小结49-51
• 第五章 干扰窃听信道中的物理层安全51-59
• 5.1 研究背景51
• 5.2 K用户干扰窃听信道模型51-53
• 5.3 基于安全和速率最大化的波束成形53-56
• 5.4 仿真结果56-58
• 5.5 本章小结58-59
• 第六章 总结和展望59-61
• 6.1 本文主要贡献59-60
• 6.2 对未来研究工作的展望60-61
• 附录A 最差情况安全速率计算61-63
• 附录B 秩为一的证明63-65
• 附录C 缩略语表65-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-73
• 攻读学位期间发表的学术论文目录73

【共引文献】

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1 倪长辉;框架结构动力性能拓扑优化中若干基本问题研究[D];大连理工大学;2014年

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本文编号：484884