基于統(tǒng)計物理方法的無線通信系統(tǒng)傳輸有效性和安全性分析.pdf

1、傳輸有效性和安全性對于現(xiàn)代通信系統(tǒng)是非常重要的，新一代無線通信系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)能夠為移動用戶提供高速、可靠、安全的無線傳輸條件。信道容量作為信息傳輸速率的一個重要衡量標準，在通信傳輸有效性的研究中占有重要地位。而通信安全的目的則是保證發(fā)送方的信息能夠安全到達接收方而不被非法第三方所竊聽。本文圍繞CDMA和MIMO通信系統(tǒng)，著重分析了這兩種通信系統(tǒng)的傳輸有效性和安全性問題?；谝陨蟽蓚€問題的分析，全文以統(tǒng)計物理方法為系統(tǒng)框架，在以下四個方面作

2、了相應(yīng)的研究工作。 在第一部分內(nèi)容中，我們采用頻率選擇性信道模型作基礎(chǔ)，側(cè)重于分析CDMA通信系統(tǒng)的信道容量，研究了信噪比、系統(tǒng)負載等參數(shù)對信道容量的影響。此外，在接收機進行信道估計的過程中，難免會產(chǎn)生估計誤差。本文以最小均方誤差估計為例，分析了信道估計誤差對信道容量的影響。這部分內(nèi)容的主要結(jié)論有：(a)如果將頻率選擇性信道看作是一個橫截濾波器，那么實際的信道容量隨橫截濾波器的抽頭數(shù)目增加而降低；(b)當接收機對信道進行估計時，

3、信道估計誤差的方差值擴大時，信道容量的損失越嚴重。 在第二部分內(nèi)容中，本文首次采用統(tǒng)計物理方法分析CDMA通信系統(tǒng)的安全性。與傳統(tǒng)的CDMA通信系統(tǒng)安全性分析不同的地方在于：本文分析的是CDMA通信系統(tǒng)物理層的安全性問題，而以往的分析則主要基于密碼體制并將有關(guān)的安全性問題放在物理層之上進行考慮。本文之所以展開CDMA通信系統(tǒng)物理層安全性分析，主要是基于以下事實：經(jīng)典密碼體制在密文傳輸過程中，均假設(shè)加密機與解密機之間的信道是傳輸無

4、差錯的完美信道。然而，由于無線通信信道存在噪聲和其它干擾，使得這一假設(shè)難以成立。為此，本文首先提出了高斯CDMA竊聽信道的概念和相應(yīng)的安全性準則，并在此基礎(chǔ)上對CDMA通信系安全性進行了分析，有關(guān)的仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。這部分內(nèi)容的主要結(jié)論有：(a)通過統(tǒng)計物理方法分析表明，在大系統(tǒng)極限條件下，CDMA通信系統(tǒng)中的任意一個處于激活狀態(tài)的用戶在CDMA竊聽信道上傳輸信息時，其效果等同于該用戶在高斯竊聽信道上進行信息傳輸。(b)當

5、系統(tǒng)中處于激活狀態(tài)的用戶數(shù)目減少時，在保證必要的系統(tǒng)安全性的條件下，用戶的傳輸速率可以增大；(c)擴頻碼長度的增加，有利于提高系統(tǒng)的安全性。 與CDMA通信系統(tǒng)的信道容量分析相對應(yīng)，本文第三部分分析了MIMO通信系統(tǒng)的信道容量。然而與第一部分中的CDMA通信系統(tǒng)不同的是，MIMO系統(tǒng)中由于采用了多天線技術(shù)，其信道傳輸函數(shù)較之CDMA通信系統(tǒng)復(fù)雜。因而，本部分內(nèi)容側(cè)重于分析MIMO信道的特性，如天線數(shù)目、散射體等因素對MIMO通信

6、系統(tǒng)的信道容量的影響。這部分內(nèi)容的主要結(jié)論有：當接收天線數(shù)目一定的條件下，發(fā)送天線數(shù)目增加有利于信道容量的提高；此外，散射體數(shù)目的增多可以提高MIMO信道的信道容量。 在以往MIMO通信系統(tǒng)的性能分析中，對多天線技術(shù)提高系統(tǒng)吞吐量和傳輸可靠性的研究基本占主導(dǎo)地位。本文最后一部分，選擇了MIMO通信系統(tǒng)的安全性作為切入點，分析了多天線技術(shù)在通信系統(tǒng)傳輸安全性方面的有關(guān)問題。這部分內(nèi)容的主要結(jié)論有：(a)在以往的有關(guān)竊聽信道的相關(guān)研

7、究中，一般認為只要竊聽信道引入噪聲，那么發(fā)送方和合法接收方總能實現(xiàn)無條件的安全通信。但是本文認為，當竊聽者在借助多天線技術(shù)的條件下，即使竊聽時引入噪聲，竊聽方依然能使得系統(tǒng)的安全信道容量趨于零。也就是說，以往有關(guān)竊聽信道的結(jié)論在多天線條件下難以成立；(b)當安全信道容量趨于零時，竊聽者與合法接收方所使用的天線個數(shù)所需滿足的關(guān)系在本文中進行了定量的分析；(c)合法接收方Bob接收信號時采用更多數(shù)目的天線對于取得更好的安全性是有好處的，但是

8、對于發(fā)送端Alice而言，增大其天線數(shù)目對于Alice和Bob之間的安全通信不一定總是有幫助，因為發(fā)送端的天線數(shù)目增多將更方便Eve竊聽有關(guān)的信息。 以上四個部分的內(nèi)容，均統(tǒng)一在一種統(tǒng)計物理分析方法的體系結(jié)構(gòu)中。統(tǒng)計物理的基本概念之所以能在上述內(nèi)容的研究中得以應(yīng)用，簡單來說，其原因在于信息熵與統(tǒng)計物理中熵的概念之間存在密切聯(lián)系。在研究信道容量時，由于信道容量與互信息及信息熵有直接關(guān)系，所以在一定條件下可以找到信道容量與統(tǒng)計物理基