基于MBM和大規(guī)模MIMO的物理層安全問題研究.pdf

1、無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展使得傳輸安全面臨嚴峻考驗。物理層安全作為一種在實際應用中開銷合理、切實可行的無線通信安全機制，正受到越來越多的關(guān)注。物理層安全利用信道隨機性確保非法對手無法獲取合法信息。這種基于信息論和信號處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)募夹g(shù)，為信息安全領(lǐng)域提供了新的研究思路。而探索基于新型無線通信技術(shù)的物理層安全問題，具有重要的研究價值。媒介調(diào)制（MBM)是一種新型調(diào)制方式，它利用豐富的散射環(huán)境產(chǎn)生一系列信道，并將發(fā)送信息包含在傳輸媒介中

2、。該調(diào)制利用無線信道隨機性和獨特性的核心思想與物理層安全一致，因此可以研究基于該調(diào)制提高物理層安全的方法。大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO)技術(shù)是一種具有頻譜及功率效率優(yōu)勢的新興無線通信技術(shù)。通過在基站覆蓋區(qū)域布置數(shù)十根或上百根天線，它能極大地提升頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。但是大量天線對物理層安全的作用卻很少有研究關(guān)注。本學位論文針對M B M系統(tǒng)和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)特點，圍繞基于兩種系統(tǒng)的物理層安全問題展開。
　　本研究主要內(nèi)容包括：

3、⑴研究該系統(tǒng)的基本原理、基本模型和接收檢測方法，為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的相移鍵控、正交振幅調(diào)制等源調(diào)制不同，MBM的核心思想是將發(fā)送信息包含在傳輸媒介中，即利用信道的隨機性和獨特性來發(fā)送不同消息。所有傳輸信道將映射形成接收星座圖。文中首先研究了該調(diào)制系統(tǒng)的基本原理，然后介紹了單輸入和多輸入兩種類型的MBM系統(tǒng)及其傳輸特性，并提出該調(diào)制下接收機一種可行的信號檢測算法。⑵針對MBM系統(tǒng)的物理層安全問題，我們主要研究存在單個被動竊聽對手的

4、情況下，提升系統(tǒng)安全性的方法。根據(jù)MBM系統(tǒng)可以自由選擇大量傳輸信道的特點，我們提出了基于信道選擇來提升系統(tǒng)安全性能的方法，且該方法沒有在收發(fā)端之間進行信道信息傳輸?shù)囊?。基于不同前提條件，我們提出了三種信道選擇方案，分別為理想條件下最優(yōu)信道選擇、實際條件下可行信道選擇和人工噪聲（Artificial Noise, AN)輔助信道選擇三種方案。我們詳細研究并仿真分析了三種信道選擇方案的保密中斷概率和保密級數(shù)，并比較了其對安全性的提升作用

5、。仿真結(jié)果證明，由于MBM有大量待選發(fā)送信道，只要通過一定條件的信道選擇，就能大幅提高系統(tǒng)的安全性能。⑶研究了基于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的物理層安全問題。首先我們介紹了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的通信竊聽模型。該模型條件下，我們分析了多天線對手使用不同接收方式，并分別釆用被動竊聽和主動攻擊導頻及數(shù)據(jù)部分時對系統(tǒng)保密速率的影響。通過對系統(tǒng)保密速率、保密中斷概率和保密級數(shù)的推導分析可知，由于大規(guī)模MIMO基站布置了大量天線并使用預編碼，被動竊聽和針對數(shù)