文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190040
中文引用格式: 陳瑞冬,耿烜. 基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的中繼協(xié)作物理層安全研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,,45(5):50-53.
英文引用格式: Chen Ruidong,Geng Xuan. Research on relay-based physical layer security based on massive MIMO[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(5):50-53.
0 引言
隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展,,人們對(duì)無(wú)線通信的安全漸漸提出更高的要求。無(wú)線通信系統(tǒng)因?yàn)槠鋸V播特性[1],,在信息傳輸過(guò)程中容易被第三方竊聽(tīng)進(jìn)而造成信息泄露,。近年來(lái),計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛,使得基于計(jì)算復(fù)雜度的上層加密算法面臨挑戰(zhàn),。此外隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),、物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展,更高層的加密技術(shù)可能越來(lái)越容易受到影響,,并且不足以保證無(wú)線信道的信息安全。作為對(duì)傳統(tǒng)高層加密技術(shù)的補(bǔ)充或替代,,物理層安全技術(shù)在底層建立安全保障,,以提高系統(tǒng)的安全性。因此物理層安全方法成為人們研究的熱點(diǎn),。
當(dāng)前物理層安全技術(shù)主要為以下幾種:信道安全編碼,、大規(guī)模MIMO、中繼協(xié)作和人工噪聲等技術(shù),。這些技術(shù)極大地豐富了無(wú)線通信物理層的傳輸資源,,使得物理層安全的研究成果不斷豐富,研究領(lǐng)域也不斷拓展,。文獻(xiàn)[2],、[3]研究分析了5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)大規(guī)模MIMO。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于人工噪聲輔助的物理層安全通信系統(tǒng),。文獻(xiàn)[5]研究了基站,、合法用戶和竊聽(tīng)者擁有不同天線數(shù)量的情況下系統(tǒng)的平均安全速率,并且推導(dǎo)得出在大規(guī)模天線系統(tǒng)中瞬時(shí)保密速率的閉合表達(dá)式,。文獻(xiàn)[6]給出了在不完美信道狀態(tài)信息的條件下人工噪聲的魯棒性設(shè)計(jì),。文獻(xiàn)[7]研究了5G大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在下行鏈路中利用人工噪聲輔助的方法來(lái)保證信息的安全傳輸。文獻(xiàn)[8]研究了在中繼輔助下大規(guī)模MIMO系統(tǒng)下行鏈路的安全傳輸策略,。文獻(xiàn)[9]中研究了大規(guī)模天線系統(tǒng)中信道估計(jì),、導(dǎo)頻、路徑衰減等不同條件下信號(hào)和人工噪聲預(yù)編碼策略,。文獻(xiàn)[10]研究了在被動(dòng)竊聽(tīng)者存在的情況下單跳大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的物理層安全,。
本文關(guān)注在不完美CSI下物理層安全中的預(yù)編碼器設(shè)計(jì),首先利用基站處部署的大規(guī)模MIMO天線陣列多余的自由度生成人工噪聲序列,,同時(shí)發(fā)送人工噪聲和信息序列,;其次分析第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)在最壞情況下和速率的封閉形式表達(dá)式和泄漏到竊聽(tīng)端的信息速率;接著針對(duì)所提出的無(wú)線通信系統(tǒng)推出用戶節(jié)點(diǎn)的保密率,,研究分析了竊聽(tīng)者的天線數(shù)量越來(lái)越多的影響,;最后對(duì)比分析了最小均方誤差(MMSE)預(yù)編碼器與迫零(ZF)預(yù)編碼器的性能差距。
1 系統(tǒng)模型和信號(hào)模型
1.1 系統(tǒng)模型
假設(shè)基站處的天線數(shù)量為NT,,中繼處的天線數(shù)量是NR,,被動(dòng)竊聽(tīng)端的天線數(shù)量是NE。對(duì)于中繼協(xié)作下的大規(guī)模MIMO下行鏈路系統(tǒng),本文考慮一種單天線用戶節(jié)點(diǎn)的安全通信,用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)目為Uk,,其中k∈{1,,…,K},。假設(shè)中繼處的天線數(shù)量比用戶節(jié)點(diǎn)的數(shù)量要大,,而基站處的天線數(shù)量可以無(wú)限大,即NT>>NR>K,?;竞椭欣^之間的信道用F來(lái)表示,中繼和用戶節(jié)點(diǎn)之間的信道用G來(lái)表示,,基站和竊聽(tīng)者之間的信道用E來(lái)表示,,中繼和竊聽(tīng)者之間的信道用H來(lái)表示,這些信道可以統(tǒng)一建模如下:
1.2 信號(hào)模型
針對(duì)基站處發(fā)出的人工噪聲和信號(hào),,考慮兩種不同的預(yù)編碼器設(shè)計(jì)方案,。通過(guò)將發(fā)送的信號(hào)置于級(jí)聯(lián)中繼信道的零空間中,使得泄露到竊聽(tīng)端的信號(hào)速率達(dá)到最小化,。信道G和F需要估計(jì),,可按文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)基于零空間預(yù)編碼隨機(jī)矩陣:
其中,Pγ表示中繼的發(fā)射功率,。在第二時(shí)隙中,,中繼將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到用戶節(jié)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[8],,第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)公式如下:
2 和速率分析
2.1 第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的和速率分析
由于用戶節(jié)點(diǎn)無(wú)法訪問(wèn)估計(jì)的CSI,,因此在最壞情況下,通過(guò)高斯近似技術(shù)來(lái)分析和速率,。第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)可以分解為所需信號(hào)和不相關(guān)的噪聲,,公式表示為:
2.2 泄漏到竊聽(tīng)端的信息速率
由于基站和中繼在兩個(gè)正交時(shí)隙中傳輸信號(hào),因此竊聽(tīng)者就有兩個(gè)機(jī)會(huì)攔截為第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?。在第一時(shí)隙期間泄露的信息速率可以定義為:
在第一時(shí)隙期間,,當(dāng)基站的天線數(shù)量趨向于無(wú)窮大時(shí),泄漏到竊聽(tīng)端的信息速率為零,。然而在第二時(shí)隙期間,,信息泄露速率則不為零。因此,,泄露到竊聽(tīng)端的總體速率不為零,。雖然基站處部署了大規(guī)模MIMO天線陣列,然而中繼處的天線數(shù)量是有限的,,因此竊聽(tīng)端在第二時(shí)隙期間可以入侵安全傳輸系統(tǒng),。
3 仿真分析
本節(jié)對(duì)用戶節(jié)點(diǎn)的和速率以及保密率進(jìn)行仿真,在仿真中,固定基站和中繼處的天線數(shù)量,,設(shè)定基站到中繼和中繼到用戶節(jié)點(diǎn)的距離均為100 m,,基站到竊聽(tīng)端和中繼到竊聽(tīng)端的距離均為200 m。仿真得出第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的和速率相對(duì)竊聽(tīng)端天線數(shù)量的變化關(guān)系,,如圖1所示,。當(dāng)竊聽(tīng)端擁有的天線數(shù)量大于5時(shí),泄漏到竊聽(tīng)端的信息速率超過(guò)第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的和速率,,此時(shí)第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的保密性能將會(huì)消失,。這是由于竊聽(tīng)端的可用自由度增加,竊聽(tīng)端截獲第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)信息的能力也在不斷增強(qiáng),。圖2仿真比較了基站處的最小均方誤差(MMSE)預(yù)編碼器和迫零(ZF)預(yù)編碼器的性能,雖然用戶節(jié)點(diǎn)處的和速率表現(xiàn)差異不大,,但是最小均方誤差預(yù)編碼器使得泄漏到竊聽(tīng)端的信息速率有效降低,,故其保密性能有所提升。
4 結(jié)論
本文通過(guò)利用大規(guī)模MIMO天線陣列有效減少泄漏到竊聽(tīng)端的信息速率,,研究了中繼協(xié)作下大規(guī)模MIMO下行鏈路的安全傳輸策略,,針對(duì)估計(jì)的CSI研究了所提出的安全通信系統(tǒng)的性能。針對(duì)基站處的MMSE預(yù)編碼器和ZF預(yù)編碼器對(duì)比分析,,在本文提出的方案中,,MMSE預(yù)編碼器表現(xiàn)出更好的性能。隨著基站天線數(shù)量的增加,,提出的安全傳輸方法將會(huì)降低信息泄露速率,。
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作者信息:
陳瑞冬,耿 烜
(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,,上海201306)