正交中继窃听信道的最优中继函数及安全性能研究

摘要

如今无线通信已经步入了数字化、个人化、移动化和宽带化的时代。无线通信的灵活性使其在人们生活中被广泛运用，对推动社会生产生活的不断发展起到了巨大的推动作用。可是无线通信的广播特性也带来了巨大的安全隐患，任何接收设备只要在信号的覆盖范围之内都能收到发送者的消息。于是安全通信就应运而生了。本文从信息理论的角度来研究安全通信。在具体的通信系统下，通过所有可能的手段使接收者能尽可能多地得到发送者发出的消息，这是通信的可用性；使窃听者尽可能少地得到发送者发出的消息，这是通信的可靠性。
　　本文从信息理论安全的角度对无线通信中的正交中继信道的模型进行研究。由于传统的AF策略的中继函数是单纯的线性关系，中继只对收到的信号进行放大，这相当于重复编码，所以我们认为传统AF策略没有充分利用中继信道的资源。本文在四节点正交中继窃听信道中引入分段线性AF(PLAF)策略。我们推导了PLAF策略在离散无记忆信道下的疑义速率范围和可达安全速率的表达式，以及高斯情况下的可达安全速率和最优中继函数的优化办法。接着我们假定系统拓扑和功率、噪声、增益等参数，通过仿真比较了PLAF和传统AF策略的安全性能。从仿真结果来看，在正交中继窃听信道中PLAF策略比传统AF策略提供更大的安全速率；当中继节点处于源和目的节点的中间位置时，最优中继函数就是传统AF的线性中继函数。在PLAF的中继函数优化过程中，我们发现并不是中继节点的功率越大信道的安全速率就越大，所以我们考虑通过功率分配来进一步提高安全速率。我们依然选择在四节点正交中继窃听信道中使用PLAF策略，在高斯情况下，推导带有功率分配系数的安全速率计算公式，并通过仿真计算了最优功率分配策略和均等功率分配策略下PLAF的安全速率。仿真表明了最优功率分配策略可以显著提高系统的安全性能，并且当中继节点处于源和目的节点的中间位置时，最优功率分配策略就是均等分配。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.3 研究意义

1.4 本文的结构和主要内容

第二章 信息论基础

2.1 熵

2.2 互信息

2.3 费诺不等式

2.4 信道容量

2.5 中继信道

2.6 安全通信

2.7 本章小结

第三章 正交中继窃听信道的分段线性 AF

3.1 正交中继窃听信道的模型

3.2 可达安全速率

3.3 安全容量的上界

3.4 高斯信道下的可达安全速率

3.5 仿真结果

3.6 本章小结

第四章 正交中继窃听信道分段线性 AF 策略的功率分配

4.1 功率分配的信道模型

4.2 功率分配的可达安全速率

4.3 功率分配仿真结果

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本论文工作总结

5.2 下一步工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文