基于方向调制无线网络物理层安全传输技术研究

摘要

物理层安全技术能够有效的提高信息传输的安全性，与传统加密技术共同形成无线传输的双重保障。方向调制(Directional modulation，DM)技术作为一种新兴的物理层安全技术，利用主信道与窃听信道之间的差异实现更加安全的信息传输。本文的主要研究工作与创新点如下: （一）针对方向调制广播系统，提出一种基于最大信泄噪比(Signal-to-leakage ratio，SLNR)与信干比(Signal-to-artificial-noise ratio，SANR)的方向调制高性能稳健合成算法，其中Max-SLNR准则用于设计隐私信号波束成形向量，以最大化隐私信号的功率到达期望接收机;Max-SANR准则用户设计人为噪声投影矩阵，以最小化人为噪声对期望接收机的影响。仿真结果表明:所提稳健的Max-SLNR和Max-SANR算法的安全速率和误码率性能均优于现有的正交投影法，可明显提高系统的安全性能。譬如，在信噪比为30dB时，同现有的正交投影法相比，所提稳健的方案在期望方向安全速率性能提高30％、误码率性能提升一个数量级。 （二）针对传统方向调制系统中发射波束仅具有角度依赖性的缺点而导致的安全隐患问题，为了解决该问题，提出了精准安全传输的新思路。通过随机子载波选择、方向调制和相位对齐三项关键技术，使发射波束形成方向角-距离二维依赖性。该方案通过离散傅里叶变换实现快速相干合并，从而显著降低接收机实现复杂度。推导了采用正交空间投影方法的信干噪比(Signal-to-interference-and noise ratio，SINR)和安全速率理论公式，同时给出窃听区域的SINR上界。仿真结果表明:与传统的方向调制系统相比，所提的安全精准无线系统实现在期望接收机附近小区域内达到SINR峰值，同时也验证了在发射天线趋于中大规模或中低信噪比区域，推导的平均安全速率的理论公式与实际蒙特卡罗仿真结果保持一致。

目录

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摘要

符号表

缩略词表

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状及趋势

1．2．1 方向调制研究现状

1．2．2 方向调制研究趋势

1．3 本文内容结构安排

2 方向调制通信系统基本原理

2．1 引言

2．2 系统模型及合成方法

2．2．1 单用户波束成形算法

2．2．2 多用户波束成形算法

2．3 方向调制系统的度量指标

2．3．1 误码率

2．3．2 安全速率

2．4 本章小节

3 多波束广播方向调制系统高性能稳健合成算法

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 提出的基于完美期望方向角的波束成形方案

3．3．1 完美窃听方向角信息

3．3．2 未知窃听方向角信息

3．4 提出的基于非完美期望方向角的稳健波束成形方案

3．4．1 非完美窃听方向角信息

3．4．2 未知窃听方向角信息

3．5 仿真结果与分析

3．6 本章小结

4 基于随机子载波选择与方向调制的安全精准无线传输方案

4．1 引言

4．2 系统模型

4．3 提出的基于人为噪声的安全精准无线传输方案

4．3．1 波束成形与人为噪声投影合成方案

4．3．2 接收SINR性能分析

4．3．3 平均安全速率分析

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间取得的科研成果列表