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《解放军信息工程大学》 2013年
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等效信道特征可变模型下的安全编码与传输机制研究

钟州  
【摘要】:信息安全理论揭示了保障无线通信安全的根本方法是建立合法信道的质量优势,并借助以此产生的信道容量差异承载私密信息进行传输。物理层安全技术利用自然信道差异作为区分不同用户身份的标识,在保证合法用户可靠通信的同时阻止第三方实施窃听。该技术从无线安全通信的本质出发,提出了正面解决信息安全传输的思路,但仍存在以下问题:(1)缺乏指导物理层加密传输算法设计的一般模型。(2)缺乏与无线信道耦合的安全编译码设计方法。(3)缺乏安全编码与传输联合设计的桥梁与方法。本文以利用等效信道特征差异实现物理层安全传输为主线,提出等效信道特征可变的随机加扰模型并以此作为理论指导,针对不同的通信系统结构和信号体制,重点研究基于等效信道特征可变模型的安全编码与传输机制。主要研究成果如下:1.提出了一种保障物理层安全通信的等效信道特征可变随机加扰模型。从信息论角度证明了所提模型增加了等效信道特征方程的多样性,以此构造的随机加权矩阵能够突破自然信道和等效信道特征恒定的双重约束。利用该矩阵对发送符号进行预编码后,使系统输入信息不再局限于有限符号集,相比基于等效信道特征恒定模型设计的加密算法,具有更大的可达安全传输速率。该模型还可作为联系安全编码与加密传输的桥梁,指导两者进行联合设计,提高系统安全传输的鲁棒性和安全性。2.针对协作中继系统提出一种等效信道特征可变的随机中继选择加密传输算法。分析了MUSIC-1ike方法的窃密机理,通过设计随机反向导频信号,主动构造快速变化的等效信道特征,并以加密传输和提高功率利用率为准则,基于等效信道特征方程,分别设计了中继节点的转发功率加权系数和中继选择策略。验证了所提方法能够降低窃听信道质量,并破坏窃听者接收信号的统计特性,有效对抗MUSIC-like方法对私密信息的窃取。3.针对多载波通信系统中单用户和多用户的安全传输要求,提出了基于随机子载波加权的安全传输算法。建立了OFDM系统物理层安全传输模型,通过提取多载波系统中各子载波信道的幅度和相位参数,利用等效信道特征可变思想构造各子载波的随机加权系数,并设计了子载波发送参考解调机制,保证了合法用户在等效信道特征快速随机变化条件下的可靠接收。分析了多用户安全传输时,受信道空间相关性带来的多用户干扰问题,提出多用户随机子载波加权安全传输算法,提高了系统可靠和安全传输的能力。4.提出合法信道特征匹配的安全编译码设计方法。将等效信道特征的随机快变建模为快衰落信道,以此对编码序列中的比特错误概率进行分析,推导了比特错误概率与信道衰落系数的关系。提出了基于私密信息比特交织隐藏的安全编码方法,建立了安全编码与合法信道的“超强耦合”。分析了置信传播译码算法中比特错误扩散的原因,并提出了两种基于二维信息修正缩小安全间隙的译码算法,减小了有限码长安全编码的安全间隙,提高了系统的安全增益。5.针对等效信道特征方程提出安全编码与加密传输的联合设计机制。首先,以总发送功率最小化和安全中断概率最小化为目标,针对加性人工噪声方法和安全编码提出了联合设计方法。然后,利用差熵性质证明了乘性人工噪声方法所能获得的安全容量,并提出了乘性人工噪声与安全编码的联合设计方法。最后,验证了两种联合设计方法为系统提供的安全增益,提高了物理层加密算法的鲁棒性和安全性。
【学位授予单位】:解放军信息工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN918

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