论文摘要
随着正交频分复用(OFDM)技术的普遍应用，OFDM无线通信系统的物理层安全也受到了广泛关注。物理层安全利用无线信道的差异性和互易性实现安全传输，而OFDM系统独特的载波、功率等资源分配会影响通信双方的信道特征，从而影响系统的安全性。但目前考虑安全因素的资源分配算法还为之甚少，且存在以下不足之处：1）算法的实施需要获知窃听信道实时信道状态信息，但实际中很难获得；2）在多用户系统中不能确保所有用户的安全传输，系统整体安全性得不到保障；3）没有考虑存在多个窃听方的情况，且当窃听方处在信道条件较好的位置时，现有算法将无法保证系统的安全传输。因此，本文依托国家自然科学基金项目，对物理层安全约束下的OFDM资源分配问题展开了专门研究。论文分别从单用户与多用户两方面建立了OFDM系统窃听信道模型，针对单用户OFDM系统在未知窃听信道实时状态信息时算法无法实施的问题，提出了一种单用户OFDM系统安全传输下的功率分配算法；针对多用户OFDM系统整体安全性得不到保障的问题，提出了一种多用户OFDM系统物理层安全资源分配方案；针对现有安全模型假设环境过于理想的问题，提出了一种非理想环境下的OFDMA系统物理层安全资源分配方案。具体研究内容包括：1.提出了一种单用户OFDM系统安全传输下的功率分配算法。在建立的OFDM系统窃听信道模型基础上，针对窃听信道衰落系数服从瑞利分布的情况，利用统计信息推导出平均意义下的系统保密容量，并将其作为系统安全性的评价标准。然后结合已知的主信道状态信息，建立最大化保密容量优化问题模型，通过所设优化问题的KKT条件寻找可行的KKT点，最终完成统计信道特征下的最优化功率分配。仿真结果表明，当载波数取N=128时，该算法相比平均分配可使系统保密容量最高提高3.109bit/s/Hz。2.提出了一种多用户OFDM系统物理层安全资源分配方案。在构建的多用户OFDM系统窃听信道模型基础上，为每个合法用户设定所需的保密容量，用来保障所有用户的安全，以系统总保密容量衡量系统的整体安全性，建立总保密容量最大化的优化问题模型，并利用对偶分解的方法完成子载波与功率的联合优化分配。仿真结果表明，在满足各合法用户保密容量为0.5bit/s/Hz的同时，该方案可使系统总保密容量提高2.071bit/s/Hz。3.提出了一种非理想环境下的OFDMA系统物理层安全资源分配方案。在构建的非理想OFDMA系统网络安全模型的基础上，在发送方采用多天线，利用人工噪声的方法恶化窃听方的传输信道，保证存在多个窃听方时信息仍能安全传输。定义系统平均保密中断容量，并用其衡量未知窃听方实时信道信息时的系统安全性，通过对偶分解的方法完成最大化平均保密中断容量的子载波与功率优化分配。仿真结果表明，当每个合法用户的保密中断概率取0.05时，该方案可使系统平均保密中断容量达到5.91bit/s/Hz。