基于天线相关的MIMO窃听信道安全性能分析

摘要

无线安全通信一直是人们所追求的目标，但是，由于无线网络的开放性和无线终端数目的急剧增加，人们很难防止窃听者进行干扰和窃听。近年来由于多输入多输出(MIMO)技术在无线网络中的广泛使用，MIMO技术的安全问题在民用和军用领域变得越来越突出。传统的加密方法主要是在无线网络上层进行加密的，同时假设物理层能够提供很好的安全链接。作为上层加密方法的一种补充，本文是从物理层的角度去分析如何实现安全通信。与传统的加密方法不同，无线通信物理层安全方法是从信息论的角度出发，给出了在MIMO窃听信道模型下实现安全传输的可行性。MIMO系统中，由于天线的排列方式以及信号到达角度不同等因素都会影响天线之间的相关性，因此在设计系统时必须考虑天线相关性。本文主要研究了在MIMO窃听信道下，发送者采用最优阶数传输天线选择(TAS)和一般阶数TAS，接收者和窃听者采用最大比合并(MRC)时，天线相关性对系统安全性能的影响。论文的主要研究成果如下：
　　第一、分析了最优阶数TAS和MRC对MIMO窃听信道安全性能的影响，详细研究了平坦 Nakagami-m衰落信道下系统的安全概率和中断概率。
　　第二、分析了当接收者和窃听者采用MRC时，天线相关性对单输入多输出(SIMO)系统安全性能的影响。在MIMO窃听信道下，当发送者采用最优阶数TAS，接收者和窃听者采用MRC时，通过推导系统安全概率和中断概率，给出了接收者和窃听者天线相关性对系统安全性能影响的理论表达式。在此基础上，推导出了一种渐进中断概率表达式，该表达式更清楚地表明天线相关性对MIMO窃听信道安全传输的影响。
　　第三、在MIMO窃听信道下，当发送者采用一般阶数TAS，接收者和窃听者采用MRC方式接收时，推导了系统安全概率、中断概率以及渐进中断概率这三种新型的解析表达式，并分析了天线相关性与系统安全性能的关系。