两类窃听信道的安全信道容量研究

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随着无线通信技术的快速发展,无线通信网络被广泛部署,用户数量也急剧增加,无线通信网络的安全问题也日益严峻。因为无线网络的开放性,无线通信更加容易被窃听。而无线网络不固定的网络结构和移动性等特性,使得无线网络中的密钥分发和管理变得非常复杂,因此基于计算安全的密码体制面临着诸多挑战。而信息理论安全不依赖于攻击者的计算能力,不需要密钥即可实现消息的机密传输,为无线通信网络的安全传输问题提供了一种新的解决方案。基于信息理论安全的通信系统的构建通常利用物理信道的内在随机特性和系统生成的随机量,从而使得窃听者和合法接收者接收信息有差异,在物理层上实现信息的安全传输。例如,合法接收者和窃听者分别通过合法信道和窃听信道接收发送者的消息,因为两个信道的噪声不同,那么合法接收者和窃听者接收到的信息有所不同。而各种信道的安全信道容量是研究信息理论安全问题的理论基础,本论文针对双向全双工窃听信道和二元输入高斯窃听信道,研究其安全信道容量。首先,本论文通过一个具体的通信场景,发现双向全双工窃听信道中联合安全下通信双方的可达安全传输速率不能同时大于零的问题。因此,为了实现通信双方可达安全传输速率能够同时大于零,本论文提出了基于单边安全的无反馈双向全双工窃听信道模型,即在含有一个外在窃听者的双向全双工通信中保证一个用户的信息的机密性。并且,在此模型下,给出了无反馈双向全双工窃听信道的可达安全传输速率区域,以及两类双向全双工窃听信道的安全信道容量区域的外界。特别地,完全确定了一类降阶高斯双向窃听信道的安全信道容量。其次,提出了基于独立安全的无反馈双向全双工窃听信道模型,即在含有一个外在窃听者的双向全双工通信中分别保证两个合法用户消息的机密性。在此模型下,给出了无反馈双向全双工窃听信道的可达安全传输速率区域,以及两类双向全双工窃听信道的安全信道容量区域的外界。通过一个确定性双向全双工窃听信道的实例展示了可达独立安全传输速率区域大于可达联合安全传输区域。特别地,完全确定了一类降阶高斯双向窃听信道的安全信道容量。再次,考虑到反馈信息对多用户通信系统安全传输的帮助,提出了基于多次传输单边安全性的带反馈双向全双工窃听信道模型,在此模型下,给出了带反馈双向全双工窃听信道的可达安全传输速率区域。并且证明了带反馈的可达安全传输速率区域大于不带反馈的可达安全传输速率区域。其次,给出了双向全双工窃听信道安全信道容量区域的外界。最后,针对二元输入的高斯窃听信道,研究了二元量化输出信号对安全信道容量的影响。主要考虑以下四种情形:(1).合法接收者和窃听者都有非量化输出信号;(2).合法接收者和窃听者都有二元量化输出信号;(3).合法接收者有二元量化输出信号,窃听者有非量化输出信号;(4).合法接收者有非量化输出信号,窃听者有二元量化输出信号。对前两种情形,给出了安全信道容量的闭合表达式;后两种情况,给出了安全信道容量区域的下界。通过对以上四种情形下安全信道容量的比较,得到情形(4)的安全信道容量大于情形(1)、(2)的安全信道容量;而当主信道信噪比较小时,情形(1)的安全信道容量大于情形(2)的安全信道容量,当主信道信噪比逐渐增大时,情形(2)的安全信道容量将大于情形(1)的安全信道容量。
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