带可控状态信息和反馈的信道模型保密容量研究

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无线物理层安全技术是确保无线通信系统数据传输安全的新兴技术,其利用无线传输介质的固有属性,如信道噪声、衰落、信道增益等,产生有利于保密通信的随机特性,基于信道编码技术实现数据安全传输。保密容量(Secrecy Capacity)是衡量无线信道模型安全传输速率上限的重要指标,保密容量的研究对构造合适的达界编码有重要指导意义。本文利用随机编码、重叠编码、速率分割技术等,探究了影响无线信道模型保密容量的因素,如因果/非因果信道状态信息(Channel State Information,CSI)、无噪反馈、速率受限反馈、行为控制序列、传输CSI的信道速率受限等,并构造了可达的编码方案。结果表明反馈有利于保密容量的增加;无噪反馈和速率受限反馈对信道保密速率的影响不同,其中无噪反馈在提供通信密钥的同时也间接为窃听者提供窃听机会;行为控制序列虽能提高传输效率,但带来了系统开销、制约了保密速率;传输CSI的信道速率受限会影响保密速率。本文的主要内容和贡献包括:  1.研究了带非自然产生的CSI(受行为控制的CSI)和速率受限反馈的窃听信道模型,求出了因果及非因果CSI情况下的容量-疑惑度区域(Capacity-Equivocation Region)和对应的保密容量。为使容量-疑惑度区域中的码率三元组可达,利用速率分割和随机编码技术分不同情况构造了编码方案。在与不带反馈、带无噪反馈和不带行为控制CSI的模型比较中发现,本文获得的带反馈的保密容量大于不带反馈的保密容量,表明反馈有利于增加保密容量。特别地,研究发现当窃听信道无噪时,带反馈的保密容量为正值,不带反馈的保密容量为零,表明当窃听信道质量最优且无反馈的情况下,无法保证信息安全传输,当引入反馈时,可实现信息安全传输。无噪反馈机制使反馈与信道输出相互独立,保证了窃听者无法通过主信道输出来破译密钥,避免了信息泄露。  2.基于受行为控制CSI,研究了行为序列在传输部分消息时对信道保密容量的影响。这部分消息被嵌入行为序列中,并由一个特殊的译码器接收译码。本文引入安全约束,首次考虑了带信息嵌入的窃听信道,该成果极大的丰富了信息嵌入在窃听信道中的应用。本文获得了带非因果和因果CSI的窃听信道容量-疑惑度区域的内外界,及对应的保密容量下界和上界。编码方案利用了二次装箱(Double binning)和随机编码技术。此外,还刻画了总传输速率随嵌入信息速率的变化规律,发现嵌入的信息越多,对保密速率的影响越大。  3.研究了同时带有无噪反馈和信息嵌入的窃听信道,获得了该模型的信道容量-疑惑度区域,构造了达界编码。研究结果表明反馈有利于增加该模型的和保密速率(Sum Secrecy Capacity),但同时使窃听者可通过间接猜测主信道输出来获得私密消息,本质原因是反馈以密钥的形式由收发双方共享。当无安全约束时,发现反馈不增加带信息嵌入的模型信道容量。  4.从消息种类的角度,研究了发送公共消息(Common message)和私密消息(Private message)的广播信道模型。其中公共消息由两个接收者共同接收并译码,私密消息仅被其中一个接收者接收,且需对另外一个接收者保密。研究了两个子模型,分别是带行为控制因果CSI的降阶广播信道和带行为控制非因果CSI及无噪反馈的降阶广播信道。针对前者,给出了一个容量-疑惑度区域内界,进而由该界导出保密容量区域内界和相应的保密容量下界。针对后者,研究了CSI以非因果的方式被编码器获悉时的容量-疑惑度区域。  5.实际通信系统中发送端对CSI的获取几乎不可能无失真,且传输CSI的边路信道容量受限于带宽、传输时长、存储资源等约束,使得发送端对CSI的获取不易。针对该实际场景,研究了带速率受限CSI(Rate-limited CSI)的窃听信道。推导出了该模型的容量-疑惑度区域的內外界,以及保密容量上下界,并通过高斯信道的实例,进一步分析了CSI速率受限对保密容量的影响。
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