大规模MIMO双向中继系统的物理层安全性能研究

摘要

无线通信应用的普及源于它的广播特性，能够让用户不受地理位置的限制随时获取信息。然而也正是广播特性让窃听者窃取信息变得既容易又隐蔽，导致保证无线通信安全变得非常困难。因此，信息安全始终是无线通信中的关键问题。 传统上，我们使用复杂的密码技术来实现系统的安全通信。但是，随着计算机处理能力的提升，传统方法的安全性也大大降低。无线通信物理层安全传输技术是基于无线信道自身的特性，利用保密容量和编码技术的概念，从信息理论的角度保证安全通信，大大提高了系统安全性能。在大规模MIMO双向中继系统中，保证系统的安全通信同样重要，本文将研究大规模MIMO双向中继系统的物理层安全性能，主要工作包括以下三点。 1.首先，本文研究了瑞利衰落信道下大规模MIMO多对双向中继系统的物理层安全性能。本文推导出系统可达安全速率的近似表达式，通过该表达式，可以得到系统可达安全速率与中继的天线数、用户对数之间的关系。另外，针对四种典型的功率分配方案，本文分别推导出相应的系统可达安全速率近似表达式。从四种功率分配方案下的近似表达式，可以得到以下结论:当每个用户的发送功率或中继侧的发送功率与中继侧天线数的倒数成正比时，随着中继侧天线数的逐渐增大，窃听用户的可达速率逐渐趋于零，而合法用户的可达速率逐渐侧趋于某一个定值，系统的可达安全速率侧与用户数成正比。仿真结果验证了相应的理论推导结果的准确性。 2.其次，本文研究了莱斯衰落信道条件下大规模MIMO多对双向中继系统的物理层安全性能。本文推导出系统可达安全速率的近似表达式，通过该表达式，我们可以得到系统可达安全速率与大尺度衰落系数、莱斯K因子、中继侧的天线数以及用户对数之间的关系。另外，针对四种典型的功率分配方案，本文分别推导出相应的系统可达安全速率近似表达式。从近似表达式，也可以得到与瑞利信道条件下相类似的结论。仿真结果验证了相应的理论推导结果的准确性。 3.最后，针对实际场景中难以获取准确信道状态信息的问题，本文研究了非完美信道状态信息对大规模MIMO多对双向中继系统物理层安全性能的影响。本文推导出系统可达安全速率的近似表达式，根据该表达式，可以得到系统可达安全速率与导频数目、大尺度衰落系数、莱斯K因子、中继的天线数以及用户对数之间的关系。针对四种典型的功率分配方案，本文分别推导出相应的系统可达安全速率近似表达式。从近似表达式中，我们依然得到与前两种应用场景相类似的结论。仿真结果验证了相应的理论推导结果的正确性。

目录

摘要

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1大规模MIMO双向中继的研究现状

1．2．2大规模MIMO物理层安全研究现状

1．3本文研究内容

1．4本文结构

第2章大规模MIMO双向中继系统基础知识概述

2．1大规模MIMO系统

2．1．1传统MIMO系统

2．1．2大规模MIMO系统的优势

2．1．3大规模MIMO系统的限制因素

2．2中继技术

2．2．1中继转发协议

2．2．2中继分类

2．3物理层安全

第3章完美CSI下瑞利双向中继系统的安全性能分析

3．1引言

3．2系统模型

3．3可达安全速率分析

3．3．1合法用户的可达速率

3．3．2窃听用户的可达速率

3．3．3系统可达安全速率

3．4性能分析

3．5数值与仿真结果分析

3．6本章小结

第4章完美CSI下莱斯双向中继系统的安全性能分析

4．1引言

4．2系统模型

4．3可达安全速率分析

4．3．1合法用户的可达速率

4．3．2窃听用户的可达速率

4．3．3系统可达安全速率

4．4功率场景性能分析

4．5数值与仿真结果分析

4．6本章小结

第5章非完美CSI下莱斯双向中继系统的安全性能分析

5．1引言

5．2系统模型

5．3可达安全速率分析

5．3．1合法用户的可达速率

5．3．2窃听用户的可达速率

5．3．3系统可达安全速率

5．4功率场景性能分析

5．5数值与仿真结果分析

5．6本章小结

6．1论文工作总结

6．2进一步工作

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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