基于随机矩阵理论的Massive MIMO欺骗攻击检测与安全容量估计

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1、分类号：TN918单位代码：10183研究生学号：2015524021密级：公开吉林大学硕士学位论文（专业学位）基于随机矩阵理论的MassiveMIMO欺骗攻击检测与安全容量估计SpoofingAttackDetectionandSecrecyCapacityEstimationinMassiveMIMOBasedonRandomMatrixTheory作者姓名：聂希柱类别：工程硕士领域（方向）：电子与通信工程指导教师：姜宏教授培养单位：通信工程学院2018年6月—————————————————————

2、—————————————基于随机矩阵理论的MassiveMIMO欺骗攻击检测与安全容量估计——————————————————————————————————SpoofingAttackDetectionandSecrecyCapacityEstimationinMassiveMIMOBasedonRandomMatrixTheory作者姓名：聂希柱领域（方向）：电子与通信工程指导教师：姜宏教授类别：工程硕士答辩日期：2018年6月3日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本

3、的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博士或硕士学位论文原创性声明（）本人郑重声明，：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本。文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的

4、法律结果由本人承担。学位论文储齡：曰期：ｘｆ年ｉｒ月ｆ曰基于随机矩阵理论的MassiveMIMO欺骗攻击检测与安全容量估计摘要大规模多输入多输出（MassiveMIMO）技术被认为是5G网络物理层的核心技术，目前已得到国内外学者的广泛研究。随着MassiveMIMO技术日益走向应用，无线网络面临的安全挑战成为更加突出的问题，MassiveMIMO系统的物理层安全已备受学术界的关注。欺骗攻击是威胁物理层安全的一种主动干扰攻击。目前，针对欺骗攻击的检测已提出一系列方法，如能量比检测、随机符号检测、

5、广义似然比检测、基于最小描述长度（MDL）检测等。这些方法虽然在不同程度上提高了欺骗攻击的检测性能，但均有不足之处。例如，需事先已知信道状态信息（CSI）、传输中需加入额外的专用随机符号、需假定发送导频序列长度远远大于基站天线数、当信噪比低时检测性能下降等等。为了实现信息的保密传输，使信号传输的最大安全速率尽可能接近通信系统的安全容量，目前采用的有效方法是在传输过程中加入人造噪声。然而，针对MassiveMIMO系统，人造噪声功率的分配系数选择仍不完善。针对上述存在的问题，本文基于随机矩阵理论（RMT）对

6、MassiveMIMO系统的欺骗攻击检测方法和安全容量估计方法展开深入研究。本文的创新性工作如下：（1）提出一种基于改进灵活检测准则（FDC）的MassiveMIMO欺骗攻击检测算法。该算法针对基站天线数与导频序列长度相接近的MassiveMIMO系统，利用RMT-FDC准则对窃听用户的有无进行判决。利用RMT对基站接收信号的样本协方差矩阵的特征值予以修正，使样本协方差矩阵能够替代统计协方差矩阵，从而提高了检测性能。该算法无需已知噪声方差、信道状态等先验信息。（2）提出两种基于特征值的MassiveMIM

7、O欺骗攻击检测算法，包括基于RMT的特征值-迹之比（ETR）和基于标准条件数（SCN）的算法。通过分析样本协方差矩阵特征值的分布特性，结合M-P律分别计算出其判决阈值，从而实现了欺骗攻击的检测。两种算法相比基于改进FDC准则的算法，降低了计算复杂度。（3）提出一种基于随机矩阵理论的MassiveMIMO安全容量估计方法。为I了保障MassiveMIMO系统信息传输的安全性，通过加入人造噪声的方法抑制窃听用户的信噪比，提高系统的安全容量，并基于RMT分析了基站不同发射功率条件下人造噪声功率分配系数的选择问题

8、。仿真结果表明，在发射功率较小时应将全部功率用于传输信息，而在发射功率较大时选择最优的功率分配系数用于产生人造噪声，可获得最大的安全容量。同时，最优功率分配系数下通过增大发射功率可提高安全容量，实现信息传输的保密性。关键词：MassiveMIMO，物理层安全，欺骗攻击检测，安全容量估计，随机矩阵理论IISpoofingAttackDetectionandSecrecyCapacityEstimationinMassiveMIM