单位代码： 10293 密 级： 公开 硕 士 学 位 论 文 论文题目：正交中继窃听信道的最优资源分配研究 Y001090625 郁章菊 王保云 教授 信号与信息处理 无线安全通信与信号处理技术 工学硕士 二〇一二年三月 学号 姓名 导 师 学 科 专 业 研 究 方 向 专业学位类别 论文提交日期 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子文档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索；可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位 论文。
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无线网络中任何节点都可以接收源节点发送的信号， 这样节点之间可以通过协作提高通信的效率，也使信号容易被窃听，导致通信的安全性难 以保障安全通信的目的是合法接收者能正确地接收源节点发送的消息，且传输的消息不 能被窃听者窃取本文从信息理论的角度来研究单用户信道的安全性能 首先研究了高斯正交不信任中继信道，即中继节点也作为窃听者的情况，源节点和中 继节点、目的节点在信道 1 上传输信号，中继节点和目的节点在信道 2 上传输信号，信道 1 和信道 2 在频域上是正交的通过分析给出了高斯正交不信任中继信道的可达安全速率 的表达式在总系统资源受约束的条件下，通过优化源节点功率及信道带宽得到系统的安 全速率，并且通过仿真结果说明了采用最优资源分配可得到比最大资源分配更大的安全速 率 其次对单用户 OFDM 系统窃听信道进行研究，并进一步提出了基于 OFDM 系统中加 入协作者的多载波窃听信道模型，根据此模型给出系统的可达安全速率考虑在总系统功 率受限的条件下通过分配源节点及协作者在各个子载波上的功率，使得系统总安全速率最 大最后仿真给出了加入协作者的最优资源分配策略的安全速率与不加协作者的最优资源 分配策略的安全速率比较结果。
结果表明，在 OFDM 系统中加入协作者的多载波窃听信道 采用最优资源分配策略可以提高系统的安全性能 关键字：关键字：信息理论安全；不信任中继；正交；窃听者；多载波；资源分配；安全速率 南京邮电大学硕士研究生学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT Due to the open nature of wireless medium, the wireless communication is very convenient and particularly vulnerable to security threats. The cooperation between transmitter and intended receiver can improve the communication efficiency. However, the messages that transmitted by the untrusted nodes are easy vulnerable to interference or eavesdropping, which makes it difficult to be guaranteed for the security of wireless communication. In this thesis, we study the security performance of single-user channel from information theoretic viewpoint. The gaussian orthogonal untrusted relayr channel is investigated. We assume that there is an eavesdropper at the relay node who has access everything that the relay node knows. The source node transmits signals with the relay node and the destination node in channel 1, the relay node transmits signals with destination node in channel 2, channel 1 and channel 2 are orthogonal. The achievable secrecy rate is derived based on analyzing the gaussian orthogonal untrusted relay channel. Under the limit of the total channel resource, the maximum of the achievable secrecy rate is obtained through optimizing the resource allocation. In the Gaussian orthogonal untrused relay channel, there exists a unique optimum bandwidth or power to achieve the maximum secrecy rate and a higher secrecy rate can be achieved using the optimal resource allocation strategy than the maximum resource allocation strategy. In next station, we consider single-user OFDM wiretap channel with an external cooperative jammer (CJ), where the CJ helps the destination interference the eavesdropper. We further consider a special case: the network with a CJ and the achievable secrecy rate is derived. The source power and CJ power are optimized over all sub-carriers to maximize the sum secrecy rate under a total system power constraint. The simulation results indicate that the secrecy rate with optimal resource allocation is higher than the network without a CJ with optimal resource allocation. From the result, the network with an external CJ using optimal resource allocation can makes the security performance improve greatly. Keywords: Information Theoretical Security; Untrusted Relay; Orthogonal; Eavesdropper; Multi-carrier; Resource Allocation; Secrecy Rate; 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 III 目录目录 摘 要I ABSTRACT II 目录.III 第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2 研究背景2 1.3 研究意义4 1.4 本文的主要内容和结构.5 第二章 信息论基础7 2.1 熵和互信息7 2.1.1 熵和联合熵.7 2.1.2 互信息8 2.2 重要不等式.10 2.3 信道容量 11 2.3.1 离散无记忆信道的信道容量. 11 2.3.2 高斯信道的信道容量12 2.4 信息理论安全的概念13 2.5 基本的协作策略15 2.6 本章小结16 第三章 不信任中继窃听信道的安全性能分析17 3.1 不信任中继信道模型.17 3.2 两种高斯正交不信任中继信道的探讨20 3.3 高斯正交不信任中继信道模型下的资源分配问题.24 3.4 仿真结果.29 3.5 本章小结.32 第四章 OFDM 系统中有协作者的安全性能分析 .33 4.1 OFDM 系统基础33 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 IV 4.1.1 OFDM 技术介绍 .34 4.1.2 OFDM 子载波间的正交性34 4.2 OFDM 系统的窃听信道 35 4.2.1 系统模型 .35 4.2.2 单用户 OFDM 窃听系统资源分配 .36 4.3 单用户 OFDM 系统具有协作者的多载波窃听信道.39 4.3.1 系统模型 39 4.3.2 加入协作者的单用户窃听 OFDM 系统下资源分配.41 4.4 结果分析及仿真48 4.4 本章小结.51 第五章 总结与展望52 5.1 本论文工作总结52 5.2 下一步工作的展望53 参考文献 .54 致 谢.59 攻读硕士学位期间发表的论文.60 南京邮电大学硕士研究生论文 。