窃听信道相关条件下物理层安全分析与优化

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无线通信系统的广播特性使其面临严重的安全问题,而传统的密钥加密技术已经无法满足安全通信的要求,物理层安全技术能够利用无线信道的广播特性、互异性、噪声干扰等实现信息的安全传输,并能与密钥加密技术叠加使用,近年来备受关注。然而,当前对物理层安全技术的研究大多是在合法信道与窃听信道之间相互独立的假设下进行的,在实际的传输场景中,这种假设并不总是成立,并且当窃听节点处于合法接收节点附近或双方存在以视距路径为主的传输方式时,双方之间的信道就会存在相关性,本文称之为窃听信道相关。窃听信道相关意味主窃信道之间的差异变小,这就会导致依赖信道差异性的物理层安全技术受到影响,因此对窃听信道相关场景下的物理层安全进行研究尤为重要。针对窃听信道相关场景,本文分析了采用最大比传输方案的多输入单输出窃听系统安全性能随相关强度的变化规律,推导了系统安全中断概率以及平均安全容量的闭合表达式,并对渐进性能进行分析。最后通过数值和蒙特卡洛仿真得出以下结论:(1)当合法信道的信道质量相较于窃听信道处于中、低水平时,相关会恶化系统安全中断概率性能,而处于较高水平时,相关强度越高安全中断概率性能反而越好;(2)窃听信道相关对系统平均安全容量始终是有害的,且较低的相关对系统的安全性能影响很小。为了提升窃听信道相关场景下多输入单输出窃听系统的安全性能,本文引入了人工噪声辅助技术。首先对发射端以及接收端人工噪声辅助技术在不同相关强度下的性能进行分析得出:发射端人工噪声在低相关下效果较好,而接收端人工噪声在高相关时效果较好。基于此提出了一种联合收发端人工噪声的物理层安全方案,即混合人工噪声辅助方案。并以最大化安全容量为目标,给出了等功率再分配以及基于粒子群优化算法的功率分配方案。最后,实验结果表明混合人工噪声辅助方案能够很好的提升系统的安全性能。
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