基于信息理论的多用户信道的安全性能研究

论文摘要

无线信道的广播特性使通信过程变得更加方便,同时也给通信的安全性带来了巨大的挑战。无线网络中任何节点都可以接收到源节点发送的信号,这样节点之间可以通过协作提高通信的效率,然而这一特性也使得信号很容易遭到窃听,从而使得通信的安全性难以得到保障。安全通信的目的是使合法的接收者能够正确地接收到发送者的消息,并且传输的消息不能被非法的窃听者知道。与传统的密码学不同的是,本文从信息理论的角度来研究多用户信道的安全性能。通信系统的安全程度用窃听者关于发送消息的剩余不确定度,即疑义速率来度量。疑义速率越大,说明窃听者获得的消息越少,通信过程则越安全可靠。本文从信息理论安全的角度对无线网络中多用户信道的模型进行了研究。在中继窃听信道的基础上,提出了有多级中继的窃听信道的模型,推导了离散无记忆信道下的疑义速率范围及可达安全速率的表达式。在假定功率受限的情况下,分析了高斯信道下两级中继窃听信道和单中继窃听信道的可达安全速率,并通过仿真比较了可达安全速率的大小。分析及仿真结果表明:当中继节点距离源节点较远时,布设多级中继可得到比单中继更大的安全速率。考虑到在实际的通信系统中,中继节点难以做到在同一频率带宽内同时接收信号和发送信号,本文提出了并行中继窃听信道的模型,并在此基础上提出了两种正交中继窃听信道的模型,给出了译码前传策略下的可达安全速率的表达式。在系统总的带宽资源受限的情况下,提出了最优资源分配的策略,并且给出了相应的可达安全速率的表达式。分析及仿真结果表明:采用最优资源分配的策略得到的安全速率比等资源分配时的安全速率大,说明了最优资源分配的策略能够提高多用户系统的安全通信性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.3 研究意义
• 1.4 本文的主要内容和结构
• 第二章 信息论基础
• 2.1 熵和互信息
• 2.1.1 熵和联合熵
• 2.1.2 互信息
• 2.2 费诺不等式
• 2.3 联合典型集
• 2.3.1 渐近均分性及典型集
• 2.3.2 联合典型序列
• 2.4 信道容量
• 2.4.1 离散无记忆信道的信道容量
• 2.4.2 高斯信道的信道容量
• 2.5 信息理论安全的概念
• 2.6 本章小结
• 第三章 多级中继窃听信道
• 3.1 多级中继窃听信道的模型
• 3.2 离散无记忆信道下的可达安全速率
• 3.3 高斯信道下的可达安全速率
• 3.4 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 正交中继窃听信道
• 4.1 并行中继窃听信道
• 4.1.1 并行中继窃听信道的模型
• 4.1.2 离散无记忆信道下的可达安全速率
• 4.2 正交中继窃听信道
• 4.2.1 正交中继窃听信道的两种模型
• 4.2.2 离散无记忆信道下的可达安全速率
• 4.3 最优资源分配策略
• 4.3.1 离散无记忆信道下的最优资源分配策略
• 4.3.2 高斯信道下的最优资源分配策略
• 4.4 结果分析及仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本论文工作总结
• 5.2 下一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文