无线通信系统中物理层安全关键技术研究

摘要

安全性是衡量通信系统性能的一个重要指标，通信系统的信息传输是否能够得到足够的安全保护，是这个通信系统能够存在和应用的基本条件。当前无线通信系统沿用了传统有线通信系统中的密码学保护机制，其在网络协议栈的上层使用密钥加密算法对数据进行加密，从而确保数据传输的安全性。然而，无线通信系统由于具有开放性和灵活性等特点，使其面临着比传统有线通信系统更加严峻的安全挑战。 与传统密码学保护信息的出发点不同，物理层安全技术对于通信系统的安全保护是植根于网络协议栈最底层的物理层，利用无线信道的时变和衰落等特性，将其作为一种天然的密钥元素来对信息进行加密保护，能够在不影响合法用户双方正常通信的基础之上，对非法用户的窃听行为造成有效干扰，从而达到保护通信系统安全通信的目的。本文根据现有物理层安全研究的现状，主要从信号处理角度来提升物理层安全，并对其中涉及的两项关键技术进行了深入细致的研究，主要包括以下内容： 首先，研究了物理层安全研究中人工噪声(Artifical Noise,AN)这项关键技术，针对现有的基于自适应人工噪声安全传输方法安全性能不足的问题，提出一种改进的基于星座旋转的人工噪声的安全传输方法。该方法在发送端根据合法信道的信道状态(Channel State Information,CSI)和发送的符号，对人工噪声进行特定角度的星座旋转，使得到达合法接收端的人工噪声有益于合法接收端解调信号。通过仿真分析，相比于现有方法，该方法能够有效限制非法窃听端窃取信息，并提高合法接收端的信噪比(Singal to Noise Ratio,SNR)，显著改善了系统的安全性能。 其次，对物理层安全中另一项天线选择(Antenna Selection,AS)关键技术进行了研究，针对现有的基于随机天线选择的安全传输方法保密容量不足的问题，提出一种改进的基于最优天线选择的安全传输方法，该方法的发送端根据合法信道状态选择出若干个增益最大的子信道所对应的发射天线，将其用来发送信号，使得合法接收端在接收信号时能获得一定的选择增益。通过仿真分析，相比于现有方法，该方法能够有效地提高通信系统的保密容量，改善合法接收端的误码率性能，有效地提升了系统的安全性能。

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摘要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景和意义

1.3 物理层安全概述

1.4 本文的主要贡献与创新

1.5 本文的结构安排

第二章 物理层安全的理论基础和研究现状

2.1 引言

2.2 物理层安全理论基础

2.2.1 信息论安全

2.2.2 物理层安全

2.2.3 物理层安全技术与密码学的区别

2.3 物理层安全研究现状

2.3.1 单天线窃听信道

2.3.2 多天线窃听信道

2.3.3 中继窃听信道

2.4 本章小结

第三章 基于人工噪声的物理层安全研究

3.1 引言

3.2 传统的基于零空间的人工噪声安全传输方法

3.2.1 系统模型

3.2.2 方法设计

3.2.3 仿真结果分析

3.3 现有的基于自适应人工噪声的安全传输方法

3.3.1 方法设计

3.3.2 仿真结果分析

3.4 改进的基于星座旋转的人工噪声安全传输方法

3.4.1 改进方法设计

3.4.2 仿真结果分析

3.5 本章小结

第四章 基于天线选择的物理层安全研究

4.1 引言

4.2 现有的基于随机天线选择的安全传输方法

4.2.1 系统模型

4.2.2 方法设计

4.2.3 仿真结果分析

4.3 改进的基于最优天线选择的安全传输方法

4.3.1 改进方法设计

4.3.2 仿真结果分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 申请（授权）专利