基于无线衰落信道的物理层安全性能建模与分析

发布时间：2017-04-20 08:23

  本文关键词：基于无线衰落信道的物理层安全性能建模与分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线技术的发展,使得仪器仪表系统向网络化、便携式方向发展,为远程控制和测量提供了条件。信息安全是无线系统能否给用户提供稳定可靠服务的核心关键问题之一。由于信道的开放性、终端的移动性和网络架构的多样性,无线系统中的安全问题面临严峻的挑战。传统的无线通信安全主要是在网络高层采用以密码学为基础的相关加密技术来实现的,如AES(Advanced Encryption Standard),DES(Data Encryption Standard)等,其实质是利用海量计算来保证信息的安全。随着半导体技术的飞速发展,具有强大的并行处理数据能力的量子计算和云计算技术的出现,计算机的计算能力在飞速提高,依靠计算复杂度来保证信息安全的方法面临巨大的挑战。另一方面,安全编码的复杂度越高,也意味着合法用户译码的复杂度越高,这对于一些计算能力和能耗受限的便携式仪器系统,难以应用高性能的安全编码。近年来,随着多天线、协作通信和编码等技术的发展,在物理层实现信息的安全传输成为学术界研究的热点问题。相比传统的加密技术,物理层安全无需密钥,而是通过利用无线信道的时变性来实现安全通信,已经成为信息安全和无线通信两个领域的交叉热点,同时也是目前国内外高端仪器系统或者军用仪器仪表的研发中的研究热点。本文对无线衰落信道中物理层安全性能进行了建模和分析,推导出广义小尺度衰落信道和复合衰落信道上的理论极限性能指标,为以后的物理层安全实现提供了理论依据。现有的针对物理层安全性能的研究主要针对某一种特定衰落信道(如Rayleigh信道等)建立了分析模型,不能覆盖实际环境中存在的其它衰落类型。本文首先选择广义小尺度衰落信道模型为研究对象,研究了基于Generalized Gamma(GG)信道的Wyner模型的物理层安全性能,分别推导出平均安全容量(Average Secrecy Capacity,ASC)、安全中断概率(Secrecy Outage Probability,SOP)以及非零安全容量概率(Probability of a Non-zero Secrecy Capacity,PNSC)的闭式解析表达式。现有的针对物理层安全性能的研究或者针对小尺度衰落(如Rayleigh信道等)建立模型,或者针对大尺度衰落(如Log-normal信道)进行分析。在一些实际环境中,小尺度衰落和大尺度衰落是同时发生的,即实际的信道模型为复合衰落。本文选择复合衰落信道模型作为研究对象,研究了基于Generalized-K(GK)信道的Wyner模型的物理层安全性能,用两种不同的方法分别推导出ASC、SOP(界)以及PNSC的闭式(近似)解析表达式。多天线技术因为能充分利用空间资源,有效对抗无线信道中的衰落,已经成为提高无线通信性能的关键技术之一。本文研究了复合衰落信道中多天线系统的物理层安全性能,用三种不同的方法分析推导了GK信道中单入多出(Single-Input Multiple-Output,SIMO)系统的ASC、SOP(界)以及PNSC的近似解析表达式。认知无线电技术因其灵活性和可行性,被视为是解决无线频谱资源匮乏的最有效方案之一,非常适合无线仪表的随机接入。本文研究了多天线认知无线系统的物理层安全性能,分析推导了采用Underlay频谱共享模式SIMO系统的物理层安全性能,推导出了采用广义选择合并(Generalized Selection Combining,GSC)策略时信噪比的概率密度函数(Probability Density Function,PDF)、累积分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)以及系统的SOP闭式解析表达式。最后,本文分析研究了不同传输天线选择(Transmit Antenna Selection,TAS)策略对Underlay频谱共享模式认知无线系统的物理层安全性能的影响。分析了采用Underlay频谱共享模式的多入多出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统在采用最优天线选择策略(Optimal Antenna Selection,OAS)和次优天线选择策略(Suboptimal Antenna Selection,SAS)时的安全性能,并与传统的采用空时编码策略(Space-Time Transmission,STT)时的安全性能进行了对比,推导出了采用各种TAS策略时信噪比的PDF、CDF以及系统SOP的闭式解析表达式。基于以上研究内容,本文系统地对无线系统中物理层安全性能进行了数学建模和理论分析,推导出各种安全性能指标的闭式解析表达式,并通过蒙特卡洛仿真证明了模型建立和理论分析的正确性。这些成果对物理层安全技术在无线系统中的应用提供了理论上的参考,对未来无线系统的安全设计具有重要的指导意义,对于高端仪器系统或者军用仪器仪表的研发提供了重要的参考。
【关键词】：物理层安全 衰落信道 安全容量 安全中断概率 非零安全容量概率
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN918.4;TN92
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 缩略词及符号说明11-14
• 1 绪论14-38
• 1.1 论文的研究背景与意义14-15
• 1.2 无线信道中的衰落与分集技术15-19
• 1.2.1 衰落15-19
• 1.2.2 分集技术19
• 1.3 物理层安全发展简史19-20
• 1.4 研究现状、技术分类和研究热点20-34
• 1.4.1 概述20-21
• 1.4.2 基于Wyner模型的研究21-22
• 1.4.3 多天线技术22-25
• 1.4.4 中继技术25-33
• 1.4.5 认知无线电网络中的物理层安全33-34
• 1.5 本文的研究内容与创新点34-35
• 1.6 论文结构和章节安排35-38
• 2 GG信道的物理层安全性能分析38-50
• 2.1 引言38
• 2.2 系统模型与信道分布38-40
• 2.2.1 系统模型38-39
• 2.2.2 信道分布39-40
• 2.3 物理层安全性能分析40-44
• 2.3.1 ASC分析40-42
• 2.3.2 SOP分析42-44
• 2.3.3 PNSC分析44
• 2.4 仿真结果44-48
• 2.5 本章小结48-50
• 3 GK信道的物理层安全性能分析50-60
• 3.1 引言50-51
• 3.2 系统模型与信道分布51-52
• 3.2.1 系统模型51
• 3.2.2 信道分布51-52
• 3.3 直接法分析物理层安全性能52-53
• 3.3.1 ASC分析52-53
• 3.3.2 SOP分析53
• 3.3.3 PNSC分析53
• 3.4 使用MG分布近似分析安全性能53-56
• 3.4.1 ASC分析54-55
• 3.4.2 SOP分析55
• 3.4.3 PNSC分析55-56
• 3.5 仿真结果56-59
• 3.6 本章小结59-60
• 4 GK信道中SIMO系统的物理层安全性能分析60-74
• 4.1 引言60
• 4.2 系统模型60-61
• 4.3 方法一（基于GK分布）61
• 4.4 方法二（基于MG分布）61-65
• 4.4.1 ASC分析63-64
• 4.4.2 SOP分析64
• 4.4.3 PNSC分析64-65
• 4.5 方法三（基于GAMMA分布）65-67
• 4.5.1 ASC分析65-66
• 4.5.2 SOP分析66-67
• 4.5.3 PNSC分析67
• 4.6 仿真结果67-73
• 4.7 本章小结73-74
• 5 CRN SIMO的物理层安全性能分析74-86
• 5.1 引言74
• 5.2 系统模型与信道分布74-80
• 5.2.1 系统模型74-75
• 5.2.2 信道分布75-80
• 5.2.3 认知源节点发射功率约束80
• 5.3 安全中断率分析80-83
• 5.3.1 P_1的推导81
• 5.3.2 P_2的推导81-83
• 5.4 仿真结果83-85
• 5.5 本章小结85-86
• 6 CRN MIMO中不同TAS策略下的安全性能分析86-100
• 6.1 引言86
• 6.2 系统模型与信道分布86-90
• 6.2.1 系统模型86-87
• 6.2.2 信道分布87-90
• 6.3 三种TAS策略下SOP分析90-96
• 6.3.1 STT策略90-92
• 6.3.2 OAS策略92-94
• 6.3.3 SAS策略94-96
• 6.4 仿真结果96-99
• 6.5 本章小结99-100
• 7 总结与展望100-104
• 7.1 研究工作总结100-102
• 7.2 后续工作展望102-104
• 致谢104-106
• 参考文献106-128
• 附录128-129
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录128
• B. 第一作者已投稿的论文目录128-129
• C. 作者在攻读学位期间参与的科研项目129

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