安全中断概率约束下MISOME系统安全性能研究

摘要

无线通信系统的物理层安全技术利用无线信道的衰落、噪声等特点，使合法接受者获得的信息熵大于窃听者，从而使窃听信道失真，无法解码传输的信息，实现安全传输。物理层安全技术从一个全新思路展开保障信息安全，弥补了传统仅仅依靠密码的安全传输技术的不足。随着未来5G时代的来临和多天线的快速发展应用，基于多入多出MIMO系统的物理层安全技术成为无线通信领域研究的热点。本文将人工噪声，发端天线选择，发端波束成形等技术应用到多入单出多天线窃听MISOME安全传输系统中，以弥补MISOME系统中合法信道条件本身存在劣势的情况。考虑到使系统安全容量计算更加严谨，加入安全中断概率约束，针对MISOME系统的安全容量进行研究。论文工作来自导师承担的省高校自然科学研究重大项目工作的一部分，本文主要工作和创新如下：
　　1）针对只使用安全吞吐量衡量系统安全性能不够严谨的问题，提出加入安全中断约束。采用人工噪声辅助波束成形技术构建多输入单输出多天线窃听的系统。在此系统中加入安全中断概率约束，分析加入安全中断约束后对系统安全性能的影响。采用不同数目的发送天线，窃听天线，不同的主信道信噪比，窃听信道信噪比构建系统，分析这些因素对于系统安全性能的影响。得到加入安全中断约束后，虽然系统可能达不到原来的最优安全速率和最大安全容量，但是所获得的安全容量更严谨不会出现安全容量虚高（安全容量等于安全速率乘以安全传输概率，仅安全容量高但安全传输概率小时仍不安全极易泄露）的不安全情况；发现发送天线数越多和主信道信噪比越高，系统安全性越好。但是当发射天线数增加到一定数量后，系统最大有效安全吞吐量趋于饱和，说明发送端不能依靠无限量增加发射天线数提高系统性能。
　　2）为了降低发送端硬件复杂度和成本，更有效地地利用发射链路，本文提出一种采用发端天线选择技术和发端波束成形技术的传输方案。比较在安全中断概率约束下选择一根最优天线的方案与人工噪声的物理层安全传输方法的系统安全性能的差异。发现a).在允许的最大安全中断概率减小时，人工噪声方案比单天线选择方案安全性能的稳定性更好，但单天线选择方案可以有效节约发端射频电路成本和减小反馈开销；b).人工噪声方案对发送天线数变化更敏感，而单天线选择方案对窃听天线数和窃听信道信噪比变化更敏感。
　　3）针对单天线选择系统由于只选择一根最优天线，发送信号时相当于单输入单输出系统，系统安全容量受到限制的问题，本文又提出在天线选择时，选择多根最好的天线发送构建多天线选择方案。多天线选择系统相比人工噪声系统，不仅反馈开销小，发射链路硬件成本低， 而且系统安全容量更大，性能优越。

目录

声明

专用术语注释表

第一章 绪论

1.1选题背景与意义

1.2物理层安全技术的研究现状

1.3论文结构安排

第二章 物理层安全传输理论

2.1信息论基础

2.2 MIMO系统

2.3安全通信系统简介

2.4 物理层安全关键技术

第三章 基于人工噪声辅助波束成形技术的安全传输模型

3.1人工噪声辅助波束成形技术

3.2 传输算法

3.3安全中断概率约束

3.4窃听系统安全性能影响因素

第四章 基于发端天线选择技术的安全传输模型

4.1常用的天线选择算法

4.2 构建单天线选择系统

4.3 构建多天线选择系统

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢