联合调制加密与人工噪声加扰的MIMO-OFDM安全传输策略设计

摘要

由于无线传输环境的开放性、无线终端的移动性以及无线网络拓扑结构的多变性，无线通信系统的安全问题受到了严峻的挑战。传统的无线加密机制在OSI七层协议的链路层以上采用经典密码体制实现无线通信网络的安全，这种建立在计算能力基础上的弱安全方案面临巨大挑战。近些年，以香农信息理论安全为基础的物理层安全技术成为无线通信领域的一个研究热点。MIMO(Multiple InputMultiple Output)技术和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术由于其信号传输稳定、频谱利用率高等优势成为新一代通信系统的主流技术，近年来基于MIMO和OFDM的物理层安全技术研究不断涌现，MIMO-OFDM物理层安全展现出丰富的研究内容。
　　本文在分析MIMO技术和OFDM技术的特点以及这两种技术下的物理层安全机制后，设计了一种OFDM星座旋转调制加密结合MIMO人工噪声加扰的安全传输策略。该加密方案包含两个部分，第一个部分是星座旋转调制加密，利用物理层的特性将合法通信者之间的信道状态信息作为共同的密钥，再变换为旋转角度对OFDM符号进行加密和解密，其实质是一种对称密钥加密方案。第二个部分是MIMO人工噪声加扰，利用多天线的特点，在发送端通过冗余天线在主信道的零空间发送人工噪声，对窃听者进行干扰，实现第二层加密。理论分析表明，该加密方案仅增加了人工噪声部分的发射功率，不会对系统的固有性能造成影响。通过分析窃听者可能采取的措施，本文设计了两种场景下共三种解密策略，仿真结果表明，仅通过星座旋转加密不足以实现信息的完全保密，由于旋转角度的局限性，可能会发生信息泄露。仅采用多天线人工噪声加扰策略时，低强度的人工噪声对窃听者影响有限，高强度的人工噪声又会增加系统负担。在对系统进行了双重加密后，设计的三种解密策略均无法获取任何有用信息，并且仅需添加微弱人工噪声就能达到较强的安全性，这种联合星座旋转调制加密与人工噪声加扰的MIMO-OFDM安全传输策略能够在不对合法接收者产生负面影响的前提下，以牺牲部分发射功率为代价实现无线通信系统的安全传输。

目录

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致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容与结构安排

2 MIMO技术和OFDM技术

2．1 OFDM技术及其在物理层安全的应用

2．1．1 OFDM技术概述

2．1．2 OFDM技术的基本原理

2．1．3 基于OFDM调制的物理层安全技术

2．2 MIMO技术及其在物理层安全的应用

2．2．1 MIMO技术概述

2．2．2 MIMO信道模型与容量

2．2．2 MIMO物理层安全研究

2．3 本章小结

3 基于星座旋转的OFDM调制加密方法研究

3．1 系统模型

3．2 星座旋转调制加密安全算法

3．2．1 密钥生成方法研究

3．2．2 调制加密策略的仿真与性能分析

3．2．3 窃听者的行为策略及仿真分析

3．3 本章小结

4 MIMO人工噪声加扰方法研究

4．1 系统模型

4．2 MIMO冗余天线人工加扰方案

4．2．1 MIMO人工噪声加扰方案描述

4．2．2 MIMO人工加扰策略的仿真与性能分析

4．2．3 结合调制加密与人工噪声加扰系统的仿真与性能分析

4．3 本章小结

5 研究总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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