无线通信网络中基于合作干扰的物理层安全

摘要

随着无线通信网络的发展，人们对无线网络的依赖逐渐加深，对于无线通信的安全问题日益受到人们的重视。传统的高层加密发展至今，需要强大的计算能力作为支撑，这对于计算能力较弱的无线节点而言颇为吃力。因此，研究者们开始寻求高层加密以外的方式确保安全，物理层安全成为了研究者们寻求新的解决方案的方向之一。
　　研究者的研究方向，从一开始的单输入单输出(SISO)到后来的多输入多输出(MIMO)经历了由浅至深的过程，其网络模型和假设也更加接近现实世界的通信环境。然而，在MIMO环境下物理层安全研究进行的如火如荼时，MIMO-OFDM环境的物理层安全却少有人问津。OFDM对于频率性深衰落具有良好的抵抗性，与MIMO技术相结合，可以得到更加稳定的无线信道。而在物理层方面，也因为OFDM的引入，使得攻击者们可以更容易破坏正常通信。至此，大多数研究者把精力放在防止信道失同步等研究方向上，而忽略了窃听者对物理层安全的影响。并没有研究证明OFDM可以防止窃听者窃听信息，因此忽视MIMO-OFDM环境下的防窃听方案是没有充分理由的。另外，由于OFDM的特性加入到MIMO之中，也不能简单套用MIMO环境下的防窃听方案。因此，需要一种全新的防窃听方案来填补MIMO-OFDM环境下的研究空白，并且针对网络环境的特点设计相应的方案内容。
　　基于以上前提，本文提出两种基于MIMO-OFDM环境下的防窃听方案。在第三章，本文提出一种自协作的防窃听方案，即发送方充当协作者的角色。通过子载波间和子载波内的天线分配以及凸优化，可以取得该模型下最优的安全容量。同时，为了同时评价MIMO和OFDM两种网络各自的特性，还提出了一种全新的评价标准。第四章中，本文提出了一种有协作者的防窃听方案。方案对未知窃听者CSI和已知窃听者CSI的两种情况都进行了天线分配设计。在窃听者CSI未知的情况下，通过全新的双重检查机制可以排除出隐藏在协作者中的窃听者。最后通过遗传算法可以得出安全容量的次优解。
　　第三章和第四章分别给出了各自的仿真结果并对结果进行了分析。仿真结果有力地支持了两种防窃听方案的有效性。第五章对对整篇文章做了总结，并对未来的研究方向进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 单输入单输出(SISO)网络

1．2．2 多输入多输出(MIMO)网络

1．2．3 有第三方参与的网络

1．3 论文主要内容

1．4 论文结构安排

2 无线通信网络基础概念和物理层安全相关技术

2．1 常见的无线网络攻击方式

2．1．1 主动攻击方式

2．1．2 被动攻击方式

2．2 无线网络安全评价指标

2．2．1 身份确认和不可否认性

2．2．2 机密性和权限控制

2．2．3 完整性和可用性

2．2．4 抗干扰性

2．2．5 抗窃听性

2．3 物理层安全相关概念

2．3．1 安全容量

2．3．2 中断概率

2．3．3 协作通信

2．4 物理层安全相关技术

2．4．1 理论安全容量

2．4．2 信道安全方法

2．4．3 编码安全方法

2．4．4 功率安全方法

2．4．5 信号设计方法

3 自协作的防窃听方案

3．1 系统模型

3．2 天线分配算法

3．2．1 子载波间分配天线

3．2．2 一个子载波内分配天线

3．3 安全容量的计算

3．4 CSA准则

3．5 自协作的防窃听方案仿真分析

3．6 小结

4 有协作者的防窃听方案

4．1 系统模型

4．2 天线分配方案

4．2．1 未知窃听者CSI的天线分配方案

4．2．2 已知窃听者CSI的天线分配方案

4．3 双重检查机制

4．4 安全容量的计算

4．5 遗传算法(GA)

4．5．1 GA算法简介

4．5．2 初代染色体生成

4．5．3 适应度函数

4．5．4 三种算子

4．6 有协作者的防窃听方案仿真分析

4．6．1 天线分配过程

4．6．2 GA仿真及分析

4．7 小结

5 结论和展望

5．1 总结和结论

5．2 下一步研究计划和展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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