全双工OFDM无线保密通信的研究

发布时间：2020-07-16 10:51

【摘要】：近年来,无线通信的迅速发展给人们带来便利的同时也存在着一些问题。由于无线信道的广播特性,用户隐私极易被恶意节点窃听。传统基于密码学的高层加密算法是建立在计算复杂度的基础上来实现安全的,随着加密算法破解技术以及量子计算机的发展,传统的加密算法可能很容易被破解,无线通信安全面临着很大的威胁。基于此,人们对物理层安全的研究越来越重视。本文提出了一个基于自中继的保密通信方案,所谓自中继,即发送者又担任中继的角色通过相位噪声去干扰窃听者窃听保密信息。本文主要研究内容与贡献如下:(1)本文在未知窃听者信道状态信息(Channel state information,CSI)的情况下提出了一个基于自中继的全双工正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统模型,该模型中包含一个合法发送者(节点A)、一个合法接收者(节点B)以及一个或多个窃听者。节点A在发送保密信息时,它又担任中继的角色对保密信息进行处理防止窃听者窃听。本文是通过在保密信息上添加来自节点B的随机相位噪声去干扰窃听者,使节点B能够正确译码保密信息,而窃听者却不能正确译码保密信息。(2)本文推导出了单入单出(Single Input Single Output,SISO)OFDM系统的安全容量及其中断概率,该方案的安全容量与窃听信道的CSI无关,这是相比其他方案的一大优点。由推导得到的安全容量的表达式可知该方案能够保证系统的安全容量为正,因此该方案能够实现完美保密通信。为了求解功率受限系统中安全容量的最大值,将此问题建模成数学优化问题,引入拉格朗日乘子通过求极值的方法得到最优解。(3)为了求解上述优化问题,本文提出使用二分-贪婪算法进行功率分配和比特加载。结果表明二分-贪婪算法相比等功率分配方案安全容量有一定的提升,并且算法的复杂度很低。此外还分析了实现保密通信相比非保密通信所付出的代价。将该方案扩展到多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)OFDM系统中,该功率分配算法在MIMO-OFDM系统中也同样适用。最后对SISO-OFDM系统的误码率进行了分析。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.53;TN918.1
【图文】：

频率选择性衰落信道

窃听者不能窃取到任何保密信息。Ｗｙｎｅｉ？从信息论的角度指出了当主信道的信道逡逑条件比窃听信道条件好时，总可以找到一种不需要密钥加密而只采用编码的方法，逡逑实现发送方和合法接收方之间的安全通信，图２－１是目前物理层安全的最基础模逡逑型。逡逑根据节点的天线个数，可以构造为单输入单输出单窃听（ＳＩＳＯＳＥ）窃听信道逡逑模型、多输入单输出单窃听（ＭＩＳＯＳＥ）窃听信道模型、多输入多输出单窃听逡逑（ＭＩＭＯＳＥ）窃听信道模型、多输入多输出多窃听（ＭＩＭＯＭＥ）窃听信道模型。逡逑根据不同的应用场景，主信道与窃听信道还可以构造为瑞利衰落信道模型、高斯衰逡逑落信道模型等。逡逑崣者邋—令主倍道邋Ａ邋译码器二合法接收者逡逑Ｌ逦）邋Ｖ逦Ｊ逦Ｖ－逦－Ｊ逦Ｖ－逦逦邋Ｖ逦Ｖ．逡逑Ａｌｉｃｅ逦Ｂｏｂ逡逑ｆ逦＼逦ｆ逦、逡逑—？窃听倍道邋一＾■？挪者逡逑＾逦Ｊ逦ｋ．逦ｊ逡逑Ｅｖｅ逡逑图２－１邋Ｗｙｎｅｒ窃听信道模型逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｗｉｒｅｔａｐ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋Ｗｙｎｅｒ逡逑２．２．２窃听信道的安全容量逡逑安全容量是衡量通信系统安全性的其中一个指标。安全容量被定义为在非法逡逑窃听者窃听不到任何有用信息的情况下发送者能够达到的最大传输速率。在通信逡逑系统中，通常情况下用疑义度Ａ和误码率Ｐｅ来衡量其安全性与可靠性。逡逑假设合法发送方Ａｌｉｃｅ将二进制比特流发送给合法接收方逡逑３此，经过编码器编码为尤￣＝＾：１，尤２，．．．，义＾，经过信道传输后合法接收者得到逡逑产＝（｝；

框图,子载波,基本原理,框图

ｋ＝０逡逑两个相邻子载波的频率间隔为Ａ／邋＝邋１／邋７＾，子载波频率NB邋＝人＋邋ｍ４／￣，逡逑ｍ邋＝邋０，ｌ，．．．，Ａ：－ｌ。因此可以得出当／。《１／７；时，子载波间相互正交，如下图２－３所逡逑不。逡逑ｓｍ（＾２ｎｆｋｔ邋＋邋（ｐ）ｓｍ（２Ｔｚｆ，ｔ邋＋邋（ｐ）ｄｔ邋＝邋０逦（２－２７）逡逑其中｜／＊＿NB｜邋＝邋；？／７１，／？邋＝邋１，２，．．．，灸—１。逡逑—邋0逦？邋１逡逑—ｃｏｓ（２＾－／０／）邋Ｉ／Ａ；逦Ｉ邋厂逡逑＼逦■］逦１逦ｉ，－逡逑—３１２１邋ｒ｜—？邋转—一ｃ0ｓ（２＾ｆ，ｔ）邋Ｉ邋ｊｖ＿ｙ！邋＼ｙ＼逡逑—？邋Ｔｓ逦？—逦换…逦？？？！！！逦丨！…逡逑Ｕ－＾ｈＭｍ邋＾逡逑ｃ0ｓ（２＾＿，0｜逦ｙ逦ｉｊ；逦ｙ逦ｙ逡逑■逦１逦１逦１逦１逡逑图２－３邋ＯＦＤＭ系统的基本原理框图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－３邋Ｔｈｅ邋ｂａｓｉｃ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｂｌｏｃｋ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＯＦＤＭ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑１８逡逑

系统框图,系统框图

物理层安全和正交频分复用相关理论基础逡逑２．３．２邋ＯＦＤＭ的实现逡逑ＯＦＤＭ的系统框图如图２－４所示，发送者发送串行的数据流卜然后将其串逡逑并转换变成＃路并行数据流，再经过星座映射得到复信号，将得到的复数信号进逡逑行快速傅里叶逆变换，则＃个并行传输的复数信号就构成了一个ＯＦＤＭ符号。然逡逑后经过并串转换、加循环前缀、Ｄ／Ａ变换和上变频之后输出信号，然后通过与上述逡逑相反的过程进行解调，得到原来的数据。在ＯＦＤＭ的实现过程中，调制与解调模逡逑块是尤其重要的，下面对调制部分模块进行介绍。逡逑ＯＦＤＭ调制逦｜逡逑ｍｏ逡逑－＊—？逦——？逦—？逦加邋｜逡逑Ｗ邋｜邋N＊邋１」Ｖ邋；邋—邋｜逦训逦逡逑一转…映：ｆ邋：

【参考文献】