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(yán)峻考驗(yàn)。物理層安全作為一種在實(shí)際應(yīng)用中開銷合理、切實(shí)可行的無線通信安全機(jī)制，正受到越來越多的關(guān)注。物理層安全利用信道隨機(jī)性確保非法對(duì)手無法獲取合法信息。這種基于信息論和信號(hào)處理實(shí)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(jià)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(jī)性和獨(dú)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(duì)物理層安全的作用卻很少有研究關(guān)注。本學(xué)位論文針對(duì)M B M系統(tǒng)和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)特點(diǎn)，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(jī)性和獨(dú)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(jī)一種可行的信號(hào)檢測算法。⑵針對(duì)MBM系統(tǒng)的物理層安全問題，我們主要研究存在單個(gè)被動(dòng)竊聽對(duì)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(diǎn)，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(jìn)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(shí)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(xì)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(jí)數(shù)，并比較了其對(duì)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(duì)手使用不同接收方式，并分別釆用被動(dòng)竊聽和主動(dòng)攻擊導(dǎo)頻及數(shù)據(jù)部分時(shí)對(duì)系統(tǒng)保密速率的影響。通過對(duì)系統(tǒng)保密速率、保密中斷概率和保密級(jí)數(shù)的推導(dǎo)分析可知，由于大規(guī)模MIMO基站布置了大量天線并使用預(yù)編碼，被動(dòng)竊聽和針對(duì)數(shù)