广播通信信道下物理层安全人工噪声功率分配算法研究

发布时间：2020-11-18 03:24

　　 近些年来无线通信技术飞速发展,经过无线信道传输的数据量也日渐增长,如何保障数据传输的安全问题逐渐成为人们关注的热点。无线广播系统是无线应用的一个重要方面,由于每次向各个终端传输相同的数据,并且处于开放的广播信道下,因此面临了比一般的点对点的无线通信场景更为严重的安全威胁。本文基于无线广播系统,探究物理层安全的人工噪声技术在广播系统安全中发挥的作用,通过合理的人工噪声功率分配方式,进行系统安全性的提升。首先,本文建立了一般的广播通信系统模型,并通过概率的分析得到了广播通信系统的保密中断概率和保密速率。当合法用户的数量增加时,若假设合法用户和窃听者处于同一信道环境下,则在所有用户中合法用户的信道条件比窃听用户差的条件将随之增加,带来的是保密中断概率的上升和保密速率的下降。当不使用任何辅助的手段保障安全时,系统的安全传输容量接近于0。其次,本文提出了使用了零空间人工噪声技术的广播通信模型,分析了产生零空间人工噪声的可行性条件,在此基础上进一步的进行两种人工噪声功率分配算法的研究。当可以获得瞬时信道状态信息时,基于最大化系统最小保密容量和最大化系统保密和速率的问题进行了最佳人工噪声功率分配因子的求解。仿真结果表明合理的添加人工噪声可以有效地提高系统的安全性能。另外,即使不能获得窃听者的准确信道信息和具体位置,对于遍历条件下的保密容量分析和保密中断概率分析也表明了在添加人工噪声时系统安全性的提升。最后,考虑到系统中各个用户距离衰减带来的影响,本文提出了连接情况下的广播通信系统安全模型,加入用户的随机位置分布的影响因素并研究了用户连接情况对保密中断概率的影响,从而使得安全方案的设计更加贴近于实际应用场景。首先考虑了含有路径损耗的系统模型,选择了泊松点过程分布模型用于处理用户分布情况的模拟。然后对于用户接入场景进行分类,分别讨论用户全部达到连接门限(全连接)和允许部分用户达不到连接门限(部分连接)的情况。两种应用场景下,用户的连接中断概率和保密速率等安全指标与系统所设置的连接门限、安全门限以及人工噪声分配因子均相关。通过理论值的分析和仿真图的对照,可以给出在安全指标限制下的理想门限设置方案。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN918;TN934
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 广播通信安全研究现状
        1.2.2 人工噪声研究现状
    1.3 主要研究内容
第2章 物理层安全理论介绍
    2.1 物理层安全理论基础
    2.2 广播系统下物理层安全的研究
    2.3 复合窃听信道理论基础
    2.4 零空间人工噪声
    2.5 常见评价指标
    2.6 本章小结
第3章 人工噪声辅助物理层安全模型
    3.1 引言
    3.2 多用户广播通信模型
        3.2.1 系统模型
        3.2.2 多用户广播系统下的保密性分析
    3.3 人工噪声辅助物理层安全模型
        3.3.1 AN辅助下物理层安全系统模型
        3.3.2 利用人工噪声实现物理层安全的可行性分析
        3.3.3 基于最大系统内最小保密容量的功率分配方案
        3.3.4 基于最大保密和速率的功率分配方案
    3.4 人工噪声辅助下的系统保密性能
        3.4.1 遍历保密容量的分析与仿真
        3.4.2 保密中断概率的分析与仿真
    3.5 基于不同需求的人工噪声功率分配解决方案
    3.6 本章小结
第4章 连接情况下的广播系统物理层安全研究
    4.1 引言
    4.2 系统模型
    4.3 全连接应用场景
        4.3.1 场景描述
        4.3.2 系统中断概率的推导与分析
        4.3.3 基于最小系统中断概率的安全方案设计
    4.4 部分连接应用场景
        4.4.1 场景描述
        4.4.2 系统中断概率的推导与分析
    4.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
致谢

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本文编号：2888274