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物理层安全中保密容量提升方法的研究

作　者: 陈一杰
导　师: 刘春刚
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 信息论安全物理层安全窃听信道中断概率保密容量
分类号: TN918
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 53次
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内容摘要

无线信道的广播特性对通信安全带来了巨大的挑战。目前成熟的对称密钥密码体制与公钥密码体制的安全性依赖于两个前提条件，一是物理层传输误码率为零，二是窃听者利用有限的计算能力在有限的时间内无法破译密码。Shannon提出了与计算能力无关的“完全保密”的概念，但仍基于理想的物理层信道。后来的研究证明了在无线通信中，即使信道存在噪声和衰落，“完全保密”在一定的约束条件下也可以实现，这方面的研究称为物理层安全研究或信息论安全研究。在没有衰落的窃听信道模型中，保密容量是衡量保密通信性能的重要参数。引入衰落后，保密通信只能以一定的概率达成，因此中断概率也是衡量系统性能的重要参数。保密通信性能提升的本质在于制造差异化的无线信道，使合法信道尽可能优于窃听信道。本文在瑞利衰落窃听信道模型基础上，提出一种新的干扰施加方式——环形干扰施加。环形干扰的实现需要一种理想的有向天线，这种天线能够有效降低窃听者的接收信噪比，而保持合法用户的接收信噪比不变。中断概率的值由通信各方的信号发射功率、干扰发射功率以及各用户之间的相对位置决定。理论上除接收合法用户附近外的其它所有位置的中断概率都较没加施加干扰时降低。在有限的空间区域内，本文对一种实际情况进行了仿真验证，数值结果表明，这种新的主动施加干扰的方式使保密通信中断概率大大降低，同时提高了保密容量。在多用户情形中，环形干扰也表现出了良好的保密通信性能。此外，环形干扰方法可以实现安全通信区域，并可以很容易地实现双向保密通信。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题研究背景及意义  8
  1.2 物理层安全通信的研究现状  8-12
  1.3 论文内容的安排  12-14
第2章物理层安全的理论基础  14-21
  2.1 信息论基础  14-16
    2.1.1 离散信源的熵  14-15
    2.1.2 信息的冗余度  15
    2.1.3 信道容量与疑义度  15-16
  2.2 信息论安全基础  16-20
    2.2.1 保密通信系统概述  16-17
    2.2.2 理想保密通信系统的成立条件  17-19
    2.2.3 保密通信系统的性质  19-20
  2.3 本章小结  20-21
第3章简单信道模型下的保密容量  21-31
  3.1 窃听信道模型及其保密容量  21-24
    3.1.1 窃听信道模型描述  21-22
    3.1.2 窃听信道的保密容量  22-24
  3.2 高斯窃听信道模型及其保密容量  24-26
    3.2.1 高斯窃听信道模型描述  24-25
    3.2.2 高斯窃听信道的保密容量  25-26
  3.3 瑞利衰落窃听信道模型及其保密容量  26-29
    3.3.1 瑞利衰落窃听信道模型描述  26-27
    3.3.2 瑞利衰落窃听信道的保密容量  27-29
  3.4 本章小结  29-31
第4章保密容量的提升方法  31-49
  4.1 施加盲干扰提升保密容量  31-38
    4.1.1 盲干扰施加方法  31-32
    4.1.2 中断概率的计算  32-34
    4.1.3 单个干扰点情况下的数值结果  34-37
    4.1.4 多个干扰点情况下的数值结果  37-38
  4.2 施加环形干扰提升保密容量  38-42
    4.2.1 环形干扰施加方法  38
    4.2.2 中断概率的计算  38-39
    4.2.3 环形干扰情况下的数值结果  39-41
    4.2.4 盲干扰与环形干扰结果对比  41-42
  4.3 环形干扰方法的应用  42-47
    4.3.1 多用户情况下的保密通信性能  42-45
    4.3.2 利用环形干扰构造安全通信区域  45-47
    4.3.3 利用环形干扰实现双向保密通信  47
  4.4 本章小结  47-49
结论  49-51
致谢  51-52
攻读学位期间发表的学术论文  52-53
参考文献  53-56
附录 A 文中公式推导  56-59
  A.1 式（2-16）的证明  56
  A.2 环形干扰情况下中断概率的推导  56-59

物理层安全中保密容量提升方法的研究

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