多天线选择系统保密中断概率研究

发布时间：2017-04-23 13:15

  本文关键词：多天线选择系统保密中断概率研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：安全是第五代(5G)移动通信系统关注的重点之一,基于信息论的物理层安全已成为未来无线网络安全传输研究的新热点。其中,多天线通过利用无线信道的空域资源,可显著提升无线传输的保密性。针对多天线选择系统的保密性能分析问题,本文以保密中断概率及相关特性为指标,研究信道估计误差、接收切换检测、信道质量不等对系统保密性能的影响,并探索考虑安全因素下的天线选择机制。论文的主要工作如下：1.基于误差估计合并的保密中断概率分析针对信道估计的误差直接影响系统保密性能,分析主信道与窃听信道的统计特性,推导以信道估计相关系数为测度的保密中断概率；利用鞍点逼近法,推导输出信噪比的累积分布函数,并计算渐近中断概率。仿真表明,在天线总数固定条件下,依据主信道估计误差配置收发天线可实现比SIMO系统的保密中断概率降低30%。2.接收端采用切换检测合并的保密性能提升针对特定场景下合法接收端复杂度受限,研究发送天线选择联合接收天线切换检测,推导系统保密中断概率及其渐近解,获得分集阶数为NA(发送天线数)；基于保密中断概率闭式设定切换检测的阈值,推导新的渐近中断概率,即使窃听者使用效果更好的接收合并策略,仍可达到NANB(收发天线数乘积)的满分集阶数。3.基于安全考量的天线选择机制针对窃听信道对天线选择的影响,利用窃听者的部分信道特征,推导分布式天线系统中联合主信道与窃听信道反馈信息的天线选择保密中断概率；研究基于发送信息比特的天线选择机制,通过对空间比特和调制比特的映射调整,推导以主信道和窃听信道质量为门限的中断概率闭式解及渐近解。4.多用户与窃听者共存下联合天线和用户的选择机制针对窃听者为内部用户的虚拟天线选择系统,推导若干窃听用户数下的信噪比联合概率密度函数,获得相应的保密中断概率闭式；针对窃听者为外部用户的虚拟天线选择系统,计算各用户信道条件不等下的保密中断概率及其渐近解；利用高斯逼近进行推导,相比传统的数值求根法,实现了对系统ε-中断概率保密容量的理论逼近,误差程度小于5%。本文从上述四个方面,以保密中断概率及相关特性为指标,对多天线选择系统的物理层安全性能进行研究分析,并对特定场景下新的天线选择方案进行探索研究。目前,天线选择作为未来无线协作物理层安全技术之一,已被纳入5G“863”相关项目的研究之中。
【关键词】：物理层安全 天线选择 中断概率 次序统计 多用户分集
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN915.08;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-19
• 1.1.1 无线安全面临的挑战13-14
• 1.1.2 物理层安全与中断概率14-15
• 1.1.3 天线选择与次序统计15-18
• 1.1.4 存在的问题18-19
• 1.1.5 论文课题来源19
• 1.2 论文主要内容与创新19-21
• 1.3 论文组织结构21-23
• 第二章 接收端信道估计误差下的保密性能分析23-41
• 2.1 本章概述23-24
• 2.2 TAS/MRC窃听系统模型24-27
• 2.2.1 主信道与窃听信道估计误差建模24-25
• 2.2.2 估计误差影响下的信道特性25-27
• 2.3 保密中断概率理论推导27-30
• 2.3.1 主信道/窃听信道估计不完备场景分析27-29
• 2.3.2 特殊场景分析29-30
• 2.4 保密中断概率渐近性分析30-35
• 2.4.1 鞍点逼近相关公式30-31
• 2.4.2 统计特性与渐近中断概率推导31-35
• 2.5 TAS/MRC窃听系统保密中断概率性能评估35-38
• 2.6 本章小结38-41
• 第三章 合法接收端切换检测保密中断概率分析41-61
• 3.1 本章概述41-42
• 3.2 TAS/SEC窃听系统模型42-45
• 3.2.1 切换检测合并机制42-44
• 3.2.2 信噪比分段统计特性44-45
• 3.3 窃听者切换检测合并场景45-51
• 3.3.1 新分界点下保密中断概率理论推导45-48
• 3.3.2 多阶微分合并分析48-51
• 3.4 窃听者最大比合并场景51-56
• 3.4.1 保密中断概率推导51-53
• 3.4.2 切换阈值固定下的分集阶数与增益53-55
• 3.4.3 切换阈值优化下的分集阶数与增益55-56
• 3.5 TAS/SEC窃听系统保密中断概率性能评估56-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第四章 保密分布式发送天线选择机制61-81
• 4.1 本章概述61-62
• 4.2 分布式TAS/MRC窃听系统模型62-64
• 4.2.1 分布式天线选择窃听系统62-63
• 4.2.2 信道平均信噪比不等对统计特性影响63-64
• 4.3 仅考虑主信道状况的天线选择64-69
• 4.3.1 新的中断概率计算方法65-68
• 4.3.2 主信道增强下的中断概率渐近性分析68-69
• 4.4 改进的联合考虑主信道和窃听信道状况的天线选择69-74
• 4.4.1 接收者两个天线索引反馈场景69-73
• 4.4.2 接收者多个天线索引反馈场景73-74
• 4.5 分布式TAS/MRC窃听系统性能评估74-79
• 4.6 本章小结79-81
• 第五章 基于双重门限中断概率的天线选择机制81-95
• 5.1 本章概述81-83
• 5.2 基于信噪比的天线选择83-85
• 5.2.1 基于信噪比天线选择的中断概率推导83-84
• 5.2.2 基于信噪比天线选择的渐近中断概率分析84-85
• 5.3 基于信息比特的天线选择85-91
• 5.3.1 重排天线索引映射的方案改进85-87
• 5.3.2 基于信息比特天线选择的中断概率推导87-88
• 5.3.3 基于信息比特天线选择的渐近中断概率分析88-91
• 5.4 基于双重门限中断概率的天线选择系统性能评估91-94
• 5.5 本章小结94-95
• 第六章 多用户场景下的天线选择保密中断概率分析95-115
• 6.1 本章概述95-96
• 6.2 多用户窃听系统模型96
• 6.3 若干数量窃听用户系统保密性能分析96-101
• 6.3.1 新的联合信噪比概率密度函数推导97-99
• 6.3.2 内部窃听下的系统保密中断概率99-100
• 6.3.3 窃听者处于系统内部的保密性能评估100-101
• 6.4 窃听者处于系统外部保密性能分析101-113
• 6.4.1 基于绝对/相对信噪比的用户选择101-102
• 6.4.2 外部窃听下的系统保密中断概率102-106
• 6.4.3 用户选择方案的渐近性分析106-107
• 6.4.4 高斯逼近ε-中断概率保密容量107-108
• 6.4.5 窃听者处于系统外部的保密性能评估108-113
• 6.5 本章小结113-115
• 第七章 结束语115-119
• 7.1 论文总结115-116
• 7.2 研究展望116-119
• 参考文献119-135
• 缩略语135-137
• 致谢137-139
• 攻读学位期间发表的学术论文目录139

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本文编号：322466