基于無線衰落信道的物理層安全性能建模與分析.pdf

1、無線技術的發(fā)展，使得儀器儀表系統(tǒng)向網(wǎng)絡化、便攜式方向發(fā)展，為遠程控制和測量提供了條件。信息安全是無線系統(tǒng)能否給用戶提供穩(wěn)定可靠服務的核心關鍵問題之一。由于信道的開放性、終端的移動性和網(wǎng)絡架構的多樣性，無線系統(tǒng)中的安全問題面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無線通信安全主要是在網(wǎng)絡高層采用以密碼學為基礎的相關加密技術來實現(xiàn)的，如AES（Advanced Encryption Standard），DES（Data Encryption Standard）

2、等，其實質是利用海量計算來保證信息的安全。隨著半導體技術的飛速發(fā)展，具有強大的并行處理數(shù)據(jù)能力的量子計算和云計算技術的出現(xiàn)，計算機的計算能力在飛速提高，依靠計算復雜度來保證信息安全的方法面臨巨大的挑戰(zhàn)。另一方面，安全編碼的復雜度越高，也意味著合法用戶譯碼的復雜度越高，這對于一些計算能力和能耗受限的便攜式儀器系統(tǒng)，難以應用高性能的安全編碼。近年來，隨著多天線、協(xié)作通信和編碼等技術的發(fā)展，在物理層實現(xiàn)信息的安全傳輸成為學術界研究的熱點問題。

3、相比傳統(tǒng)的加密技術，物理層安全無需密鑰，而是通過利用無線信道的時變性來實現(xiàn)安全通信，已經成為信息安全和無線通信兩個領域的交叉熱點，同時也是目前國內外高端儀器系統(tǒng)或者軍用儀器儀表的研發(fā)中的研究熱點。本文對無線衰落信道中物理層安全性能進行了建模和分析，推導出廣義小尺度衰落信道和復合衰落信道上的理論極限性能指標，為以后的物理層安全實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。
　　現(xiàn)有的針對物理層安全性能的研究主要針對某一種特定衰落信道（如Rayleigh信道等

4、）建立了分析模型，不能覆蓋實際環(huán)境中存在的其它衰落類型。本文首先選擇廣義小尺度衰落信道模型為研究對象，研究了基于Generalized Gamma（GG）信道的Wyner模型的物理層安全性能，分別推導出平均安全容量（Average Secrecy Capacity, ASC）、安全中斷概率（Secrecy Outage Probability, SOP）以及非零安全容量概率（Probability of a Non-zero Secre

5、cy Capacity, PNSC）的閉式解析表達式。
　　現(xiàn)有的針對物理層安全性能的研究或者針對小尺度衰落（如Rayleigh信道等）建立模型，或者針對大尺度衰落（如Log-normal信道）進行分析。在一些實際環(huán)境中，小尺度衰落和大尺度衰落是同時發(fā)生的，即實際的信道模型為復合衰落。本文選擇復合衰落信道模型作為研究對象，研究了基于Generalized-K（GK）信道的Wyner模型的物理層安全性能，用兩種不同的方法分別推導出A

6、SC、SOP（界）以及PNSC的閉式（近似）解析表達式。
　　多天線技術因為能充分利用空間資源，有效對抗無線信道中的衰落，已經成為提高無線通信性能的關鍵技術之一。本文研究了復合衰落信道中多天線系統(tǒng)的物理層安全性能，用三種不同的方法分析推導了GK信道中單入多出（Single-Input Multiple-Output, SIMO）系統(tǒng)的ASC、SOP（界）以及PNSC的近似解析表達式。
　　認知無線電技術因其靈活性和可行性，被

7、視為是解決無線頻譜資源匱乏的最有效方案之一，非常適合無線儀表的隨機接入。本文研究了多天線認知無線系統(tǒng)的物理層安全性能，分析推導了采用Underlay頻譜共享模式SIMO系統(tǒng)的物理層安全性能，推導出了采用廣義選擇合并（Generalized Selection Combining, GSC）策略時信噪比的概率密度函數(shù)（Probability Density Function, PDF）、累積分布函數(shù)（Cumulative Distribu

8、tion Function, CDF）以及系統(tǒng)的SOP閉式解析表達式。
　　最后，本文分析研究了不同傳輸天線選擇（Transmit Antenna Selection, TAS）策略對 Underlay頻譜共享模式認知無線系統(tǒng)的物理層安全性能的影響。分析了采用Underlay頻譜共享模式的多入多出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）系統(tǒng)在采用最優(yōu)天線選擇策略（Optimal Antenna

9、Selection, OAS）和次優(yōu)天線選擇策略（Suboptimal Antenna Selection, SAS）時的安全性能，并與傳統(tǒng)的采用空時編碼策略（Space-Time Transmission, STT）時的安全性能進行了對比，推導出了采用各種TAS策略時信噪比的PDF、CDF以及系統(tǒng)SOP的閉式解析表達式。
　　基于以上研究內容，本文系統(tǒng)地對無線系統(tǒng)中物理層安全性能進行了數(shù)學建模和理論分析，推導出各種安全性能指標的