多天线条件下的链路传输安全性能分析

摘要

近几年个人智能移动通信终端的大规模普及表明无线通信已经融入到人们生活的各个方面，无线网络承载的信息也越来越重要越来越敏感，然而无线信道的开放特性使得信息极易被窃听，因此如何保障用户信息的安全就变得十分重要了。目前无线网络保密都是借用有线网络中广泛使用的对称加密法和公钥加密法，但是这些加密算法的密钥分发步骤在无线信道下非常容易受到攻击并且非常耗费资源。而且移动终端由于尺寸和成本约束，其能量和计算能力都十分有限，并不适合对称加密法和公钥加密法这样大计算复杂度的加密算法。
　　物理层安全充分利用了无线信道的多径和衰落特性，能够在物理层上为信息提供安全防护，为信息安全研究提供了全新的思路。本文研究了典型的蜂窝网络中发送端多天线接收端和窃听端均为单天线的场景，采用波束成形和噪声注入来提高信道安全性，我们研究了天线数量和噪声功率分配比例对信道安全性的影响，分析了单独使用波束成形和同时使用波束成形和噪声注入时接收端和窃听端接收信号瞬时信噪比的分布函数，给出了信道平均安全容量、非零安全容量概率和安全掉线率等的闭式解。我们还利用密钥协商协议生成密钥，研究了波束成形和噪声注入对密钥生成速率的影响。

目录

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摘要

插图索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 高斯窃听信道模型

1．1．2 密钥协议

1．2 安全评估指标

1．2．1 信息论角度的评估指标

1．2．2 概率论角度的评估指标

1．3 研究概况与本文内容

1．3．1 物理层安全研究概况

1．3．2 本文研究内容

1．4 论文结构安排

第二章 物理层安全研究现状

2．1 单天线

2．2 发送端多天线

2．2．1 发送天线选择

2．2．2 波束成形

2．2．3 预编码

2．2．4 噪声注入

2．3 接收端多天线

2．3．1 选择合并

2．3．2 最大比合并

2．3．3 广义选择合并

2．4 中继系统

2．4．1 可信任中继——解码转发方案

2．4．2 不可信任中继——放大转发方案

2．4．3 协作干扰器

2．5 密钥协商

2．5．1 密钥协商协议

2．5．2 利用信道随机特征生成密钥

第三章 多天线分集系统下的安全信道评估

3．1 MISOSE模型

3．2 接收端接收信号信噪比及其概率密度函数

3．3 窃听端接收信号信噪比及其概率密度函数

3．4 平均安全容量、非零安全容量概率和安全掉线率

3．5 极限情况下的安全掉线率

3．6 数值结果分析

3．7 本章总结

第四章 多天线场景采用噪声注入时安全信道评估

4．1 MISOSE人工噪声信道模型

4．2 接收端接收信号信噪比及其概率密度函数

4．3 窃听端接收信号信噪比及其概率密度函数

4．4 平均安全容量、非零安全容量概率和安全掉线率

4．5 极限情况下的安全掉线率

4．6 数值结果分析

4．7 本章总结

第五章 波束成形与噪声注入对密钥生成速率的影响

5．1 密钥协商协议

5．1．1 机会性密钥协议

5．1．2 协商算法

5．1．3 保密增强

5．1．4 密钥生成速率

5．2 协议参数优化

5．2．1 集合划分参数T的优化

5．2．2 功率分配因子的优化

5．3 数值结果分析

5．4 本章总结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果