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无线衰落信道的物理层安全研究

孙江峰  
【摘要】:相对于有线通信网络,无线通信的优势在于其具有成本低廉、组网用时短、更适用于恶劣环境的铺设、接入性强和后期维护方便等优点,因此近年来其得到了大力的推广及应用,但无线通信开放性、便携性的特点决定了其为本身带来便利性的同时,也更容易遭受其他通信实体的干扰和窃听。传统的防窃听的方法是在传输协议的上层添加密码,虽然复杂的密钥算法可以带来破解的困难,从而保证数据的安全传输,然而,随着计算机技术的飞速发展,窃听端的超强的计算能力会使信息解密成为可能,此外,移动环境下,预设的终端设备往往会有体积小,处理能力较弱的特点,这会造成网络信号传输时延的增加。基于此,防截获的物理层安全技术应运而生,物理层安全在物理层利用信道自身的衰落规律通过提升安全容量来达到防窃听的效果,其理论依据为香农的瞬时信道容量计算公式和Wyner的三实体窃听网络模型。物理层安全是经典的防窃听方案的有效补充,近年来也得到大量学者的青睐。本文主要针对的是复杂衰落信道(κ-μ shadowed)的网络建模及其物理层保密性能的理论多项式推导和安全保密性能研究。κ-μ shadowed衰落信道是一种广义衰落的复合信道,它可以同时描述直射径不均匀散射和阴影衰落的情景,并且其形状约束参数取值不同时,可以转化为Rician、Gamma shadowed,单侧 Gaussisan、Nakagami-m 和κ-μ 分布等。因此,κ-μ shadowed衰落可以模拟很多的实际通信场景,比如物联网(Internet of things)通信、水下通信、5G及卫星通信等,对此信道的安全性讨论非常必要,相关的科研成果如下:第一,最先开展对κ-μ shadowed衰落信道的安全性能研究。本文研究了关于κ-μ shadowed的经典维纳模型的防截获性能,推导和仿真了 SOP和SPSC的闭合多项式。第二,探索了基于κ-μ shadowed衰落的SIMO系统安全性能。SIMO技术可以通过分集接收获取更大的信道容量,提高了传输速率,增加了频谱利用效率,同时还不需要额外基础设施的建设。因此,在很多实际传输环境中得到了广泛的部署。推导和仿真了 SOP和SPSC的准确和近似闭合多项式,仿真结果揭示了提升和损害系统安全性能的因素。开发了主动窃听场景下的基于κ-μ shadowed衰落的SIMO系统的保密性。主动窃听是指窃听终端主动发起窃听,这样发送端可以通多信道估计等方法获取窃听信道的信道状态信息(CSI),此种情境下,平均安全保密容量(ASC)是更为适合的安全评估基准,因此,推导并仿真了 ASC的闭合理论式。第三,完成了基于中继的单发多收认知无线电系统的安全性能分析。本文提出从安全中断容量的定义的方式出发,结合合法端和窃听端天线数量的不同,把SOP和SPSC的计算分为四种组合,分别计算,然后通过合并获得SOP和SPSC的闭合理论多项式。并且,信道参数和天线数量对系统的安全的影响也通过统计仿真和理论仿真的曲线得到分析和总结。第四,分析了认知无线电网络的多窃听协作的单发多收网络的保密性。本文推导底层型认知无线电网络的单发多收情境下的SOP和SPSC的理论分析多项式,并做了提升和降低系统安全性能的信道环境的分析。综上所述,本文研究的主要的内容是对无线衰落信道网络的物理层安全性能进行建模和分析,结合采用的不同策略,推导不同通信系统模型下的理论安全性能指标的闭合表达式,并通过仿真获取提升系统保密性的方法。当本文探索的实际场景的信道参数和形状参数经过测量确定后,其安全性能的评估可以由接下来的理论分析结果确定。因此,本文的研究成果对于无线通信中实际场景的分析和设计都有较好的理论参考意义。


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