基于MBM和大规模MIMO的物理层安全问题研究

摘要

无线通信技术的不断发展使得传输安全面临严峻考验。物理层安全作为一种在实际应用中开销合理、切实可行的无线通信安全机制，正受到越来越多的关注。物理层安全利用信道随机性确保非法对手无法获取合法信息。这种基于信息论和信号处理实现数据安全传输的技术，为信息安全领域提供了新的研究思路。而探索基于新型无线通信技术的物理层安全问题，具有重要的研究价值。媒介调制（MBM)是一种新型调制方式，它利用丰富的散射环境产生一系列信道，并将发送信息包含在传输媒介中。该调制利用无线信道随机性和独特性的核心思想与物理层安全一致，因此可以研究基于该调制提高物理层安全的方法。大规模多输入多输出（MIMO)技术是一种具有频谱及功率效率优势的新兴无线通信技术。通过在基站覆盖区域布置数十根或上百根天线，它能极大地提升频谱效率和数据传输速率。但是大量天线对物理层安全的作用却很少有研究关注。本学位论文针对M B M系统和大规模MIMO系统特点，围绕基于两种系统的物理层安全问题展开。
　　本研究主要内容包括：⑴研究该系统的基本原理、基本模型和接收检测方法，为后续研究打下基础。与传统的相移键控、正交振幅调制等源调制不同，MBM的核心思想是将发送信息包含在传输媒介中，即利用信道的随机性和独特性来发送不同消息。所有传输信道将映射形成接收星座图。文中首先研究了该调制系统的基本原理，然后介绍了单输入和多输入两种类型的MBM系统及其传输特性，并提出该调制下接收机一种可行的信号检测算法。⑵针对MBM系统的物理层安全问题，我们主要研究存在单个被动窃听对手的情况下，提升系统安全性的方法。根据MBM系统可以自由选择大量传输信道的特点，我们提出了基于信道选择来提升系统安全性能的方法，且该方法没有在收发端之间进行信道信息传输的要求。基于不同前提条件，我们提出了三种信道选择方案，分别为理想条件下最优信道选择、实际条件下可行信道选择和人工噪声（Artificial Noise, AN)辅助信道选择三种方案。我们详细研究并仿真分析了三种信道选择方案的保密中断概率和保密级数，并比较了其对安全性的提升作用。仿真结果证明，由于MBM有大量待选发送信道，只要通过一定条件的信道选择，就能大幅提高系统的安全性能。⑶研究了基于大规模MIMO系统的物理层安全问题。首先我们介绍了大规模MIMO系统的通信窃听模型。该模型条件下，我们分析了多天线对手使用不同接收方式，并分别釆用被动窃听和主动攻击导频及数据部分时对系统保密速率的影响。通过对系统保密速率、保密中断概率和保密级数的推导分析可知，由于大规模MIMO基站布置了大量天线并使用预编码，被动窃听和针对数据部分的主动攻击对系统的安全性能几乎不会造成影响。因此主动攻击成为威胁大规模MIMO系统安全性的有效手段。我们进一步研究了大规模MIMO基站针对主动攻击的检测方法。在分析巳有的能量检测法和导频相关法之后，提出了一种将能量检测与导频相关相结合的简易算法。仿真结果证明我们的算法具有鲁棒性，并能够有效提升检测性能。

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缩写词列表

第一章绪论

1 .1研究背景

1 .2 国内外研究现状

1 .3论文主要内容和结构安排

第 二 章 MBM系统原理

2.1 MBM系统基本原理

2.2 MBM系统基本模型

2.3 MBM系统接收检测算法

2 .4仿真结果

2 .5本章小结

第 三 章 MBM系统的物理层安全

3.1 MBM系统安全传输原理

3.2 MBM系统的安全传输方法

3 .3 仿真结果

3.4 本章小结

第四章大规模MIMO系统的物理层安全

4 .1 大规模MIMO系统窃听模型

4 .2 大规模MIMO系统的保密速率

4 .3 主动攻击的检测

4.4 仿真结果

4 .5本章小结

第五章总结与展望

5 .1 工作总结

5 .2研究展望

参考文献

个人简历、攻读硕士学位期间主要的研究成果