基于無(wú)線衰落信道的物理層安全性能建模與分析.pdf

1、無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，使得儀器儀表系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、便攜式方向發(fā)展，為遠(yuǎn)程控制和測(cè)量提供了條件。信息安全是無(wú)線系統(tǒng)能否給用戶提供穩(wěn)定可靠服務(wù)的核心關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于信道的開放性、終端的移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多樣性，無(wú)線系統(tǒng)中的安全問(wèn)題面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無(wú)線通信安全主要是在網(wǎng)絡(luò)高層采用以密碼學(xué)為基礎(chǔ)的相關(guān)加密技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如AES（Advanced Encryption Standard），DES（Data Encryption Standard）

2、等，其實(shí)質(zhì)是利用海量計(jì)算來(lái)保證信息的安全。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，具有強(qiáng)大的并行處理數(shù)據(jù)能力的量子計(jì)算和云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力在飛速提高，依靠計(jì)算復(fù)雜度來(lái)保證信息安全的方法面臨巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，安全編碼的復(fù)雜度越高，也意味著合法用戶譯碼的復(fù)雜度越高，這對(duì)于一些計(jì)算能力和能耗受限的便攜式儀器系統(tǒng)，難以應(yīng)用高性能的安全編碼。近年來(lái)，隨著多天線、協(xié)作通信和編碼等技術(shù)的發(fā)展，在物理層實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

3、相比傳統(tǒng)的加密技術(shù)，物理層安全無(wú)需密鑰，而是通過(guò)利用無(wú)線信道的時(shí)變性來(lái)實(shí)現(xiàn)安全通信，已經(jīng)成為信息安全和無(wú)線通信兩個(gè)領(lǐng)域的交叉熱點(diǎn)，同時(shí)也是目前國(guó)內(nèi)外高端儀器系統(tǒng)或者軍用儀器儀表的研發(fā)中的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)無(wú)線衰落信道中物理層安全性能進(jìn)行了建模和分析，推導(dǎo)出廣義小尺度衰落信道和復(fù)合衰落信道上的理論極限性能指標(biāo)，為以后的物理層安全實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。
　　現(xiàn)有的針對(duì)物理層安全性能的研究主要針對(duì)某一種特定衰落信道（如Rayleigh信道等

4、）建立了分析模型，不能覆蓋實(shí)際環(huán)境中存在的其它衰落類型。本文首先選擇廣義小尺度衰落信道模型為研究對(duì)象，研究了基于Generalized Gamma（GG）信道的Wyner模型的物理層安全性能，分別推導(dǎo)出平均安全容量（Average Secrecy Capacity, ASC）、安全中斷概率（Secrecy Outage Probability, SOP）以及非零安全容量概率（Probability of a Non-zero Secre

5、cy Capacity, PNSC）的閉式解析表達(dá)式。
　　現(xiàn)有的針對(duì)物理層安全性能的研究或者針對(duì)小尺度衰落（如Rayleigh信道等）建立模型，或者針對(duì)大尺度衰落（如Log-normal信道）進(jìn)行分析。在一些實(shí)際環(huán)境中，小尺度衰落和大尺度衰落是同時(shí)發(fā)生的，即實(shí)際的信道模型為復(fù)合衰落。本文選擇復(fù)合衰落信道模型作為研究對(duì)象，研究了基于Generalized-K（GK）信道的Wyner模型的物理層安全性能，用兩種不同的方法分別推導(dǎo)出A

6、SC、SOP（界）以及PNSC的閉式（近似）解析表達(dá)式。
　　多天線技術(shù)因?yàn)槟艹浞掷每臻g資源，有效對(duì)抗無(wú)線信道中的衰落，已經(jīng)成為提高無(wú)線通信性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文研究了復(fù)合衰落信道中多天線系統(tǒng)的物理層安全性能，用三種不同的方法分析推導(dǎo)了GK信道中單入多出（Single-Input Multiple-Output, SIMO）系統(tǒng)的ASC、SOP（界）以及PNSC的近似解析表達(dá)式。
　　認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)因其靈活性和可行性，被

7、視為是解決無(wú)線頻譜資源匱乏的最有效方案之一，非常適合無(wú)線儀表的隨機(jī)接入。本文研究了多天線認(rèn)知無(wú)線系統(tǒng)的物理層安全性能，分析推導(dǎo)了采用Underlay頻譜共享模式SIMO系統(tǒng)的物理層安全性能，推導(dǎo)出了采用廣義選擇合并（Generalized Selection Combining, GSC）策略時(shí)信噪比的概率密度函數(shù)（Probability Density Function, PDF）、累積分布函數(shù)（Cumulative Distribu

8、tion Function, CDF）以及系統(tǒng)的SOP閉式解析表達(dá)式。
　　最后，本文分析研究了不同傳輸天線選擇（Transmit Antenna Selection, TAS）策略對(duì) Underlay頻譜共享模式認(rèn)知無(wú)線系統(tǒng)的物理層安全性能的影響。分析了采用Underlay頻譜共享模式的多入多出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）系統(tǒng)在采用最優(yōu)天線選擇策略（Optimal Antenna

9、Selection, OAS）和次優(yōu)天線選擇策略（Suboptimal Antenna Selection, SAS）時(shí)的安全性能，并與傳統(tǒng)的采用空時(shí)編碼策略（Space-Time Transmission, STT）時(shí)的安全性能進(jìn)行了對(duì)比，推導(dǎo)出了采用各種TAS策略時(shí)信噪比的PDF、CDF以及系統(tǒng)SOP的閉式解析表達(dá)式。
　　基于以上研究?jī)?nèi)容，本文系統(tǒng)地對(duì)無(wú)線系統(tǒng)中物理層安全性能進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和理論分析，推導(dǎo)出各種安全性能指標(biāo)的