發(fā)布時間：2019-01-05 04:46

【摘要】：無線物理層安全技術(shù)旨在開發(fā)合法信道和竊聽信道之間的空域特征差異,利用或創(chuàng)造合法信道的質(zhì)量優(yōu)勢,為通信系統(tǒng)提供信息理論安全(Information Theoretical Security),可以輔助通信協(xié)議高層的加密安全方法。隨著多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)等多天線技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用,空間譜資源得到了有效開發(fā),可以為物理層安全提供更大的空間自由度,同時保證無線通信的可靠性和有效性。另外,考慮到無線數(shù)字通信的廣泛使用,而數(shù)字調(diào)制信號具備有限字符特性,本文重點研究有限字符輸入的多天線系統(tǒng)物理層安全技術(shù)。無線數(shù)字通信系統(tǒng)的有限字符特性給竊聽者提供了攻擊可能。為消除該安全隱患,本文基于信息論,從兩個方面對有限字符輸入的多天線系統(tǒng)保密互信息進(jìn)行了優(yōu)化:一是開發(fā)無線信道空域特征差異,如衰落、空間自由度和噪聲等,最小化竊聽信道互信息;二是對MIMO信道進(jìn)行線性預(yù)編碼,最大化合法信道互信息。主要研究內(nèi)容包括:1.基于信息論,對有限字符輸入系統(tǒng)中人工噪聲輔助的波束形成方法進(jìn)行安全性分析,指出有限字符輸入信號(保密信號)與多天線竊聽者的無噪接收信號之間可以等效成一個離散有噪無損信道(Discrete Noisy Lossless Channel,DNLC),致使安全方法失效。從幾何角度而言,竊聽者的無噪接收信號服從超平面分布,其特征規(guī)律可以被統(tǒng)計出來,從而實現(xiàn)竊密。據(jù)此,本文指出有限字符輸入系統(tǒng)安全傳輸?shù)某浞謼l件是破壞竊聽者的DNLC結(jié)構(gòu)。根據(jù)該條件,分別設(shè)計隨機(jī)幅/相調(diào)制的保密信號和類符號人工噪聲,保證系統(tǒng)的安全性。2.基于MIMO系統(tǒng)提出一種內(nèi)生隱藏的跳空安全傳輸方法。該方法通過建立發(fā)送符號與接收天線索引之間的映射關(guān)系,實時生成跳空圖樣,無需分發(fā)跳空圖樣,擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。更為重要的是,該方法開發(fā)了收發(fā)雙方之間冗余的無線信道資源,通過隨機(jī)快速切換無線信道,有效隱藏了保密信號的有限字符特性,破壞了竊聽者的DNLC結(jié)構(gòu),從而保證了系統(tǒng)的安全性。3.將空間調(diào)制拓展到MIMO系統(tǒng)中,提出一種空間調(diào)制物理層安全傳輸方法,將收發(fā)雙方之間冗余的無線信道資源用于信息傳輸和保障安全。該方法將發(fā)送信息分為信道調(diào)制和信號調(diào)制信息兩部分,建立數(shù)字調(diào)制符號與接收天線索引之間的映射關(guān)系,在信號調(diào)制信息的傳輸過程中,將接收天線索引映射為額外的信道調(diào)制符號,提高了傳輸效率。另外,由于信道調(diào)制符號的隨機(jī)性,該方法隨機(jī)切換無線信道,破壞了竊聽者的DNLC結(jié)構(gòu),保證了系統(tǒng)的安全性。4.設(shè)計MIMO線性預(yù)編碼技術(shù),最大化合法信道的平均互信息,提高通信系統(tǒng)的可靠性。由于有限字符輸入下信道互信息關(guān)于線性預(yù)編碼矩陣非凸,現(xiàn)有的預(yù)編碼最優(yōu)化設(shè)計方法計算復(fù)雜度極高。本文基于空間分集增益改進(jìn)了空時線性星座預(yù)編碼(Space Time Linear Constellation Precoding,ST-LCP)方法,并融合最大化最小輸出信號間距的方法,設(shè)計了一種聯(lián)合預(yù)編碼算法。該算法在各種信道和SNR條件下所得信道互信息均能逼近信道互信息的理論最大值,且無需迭代或搜索,計算復(fù)雜度很低。
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【學(xué)位授予單位】：解放軍信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN918

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2401292