《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于分段導(dǎo)頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
卓國鋒1，杜圣東2，林勝斌3
1.成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，四川 成都610041； 2.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610031；3.重慶通信學(xué)院，重慶400000
摘要： 在一個(gè)三節(jié)點(diǎn)MIMO竊聽網(wǎng)絡(luò)中，針對(duì)竊聽方發(fā)送惡意導(dǎo)頻干擾，提出了一種基于分段導(dǎo)頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案。首先將導(dǎo)頻發(fā)送長度分為n段，合法接收方只選取其中的m段發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)。發(fā)送方利用n-m段接收信號(hào)獲取竊聽信道的近似估計(jì)，并用其消除m段信道估計(jì)中的竊聽信道部分。然后，發(fā)送方設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣并同時(shí)發(fā)送信號(hào)和人工噪聲，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的安全傳輸。仿真表明，當(dāng)干擾功率為100 mW時(shí)，所提方案下的安全速率平均提高了1.34 bit/s/Hz。
中圖分類號(hào)： TP218
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.034
中文引用格式： 卓國鋒，杜圣東，林勝斌. 基于分段導(dǎo)頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(1)：129-132.
英文引用格式： Zhuo Guofeng，Du Shengdong，Lin Shengbin. A physical layer security transmission scheme based on the fragmented pilot transmission and the artificial noise[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：129-132.
A physical layer security transmission scheme based on the fragmented pilot transmission and the artificial noise
Zhuo Guofeng1，Du Shengdong2，Lin Shengbin3
1.School of Software，Chengdu Polytechnic，Chengdu 610041，China； 2.School of Information Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China； 3.Chongqing Communication Institute，Chongqing 400000，China
Abstract： In a three-node Multiple Input Multiple Output(MIMO) wire-tap network, this paper proposes a physical layer security transmission scheme based on the fragmented pilot transmission and the artificial noise according to the malicious pilot contamination. First, the pilot transmission length is divided into n segments，and the legitimate receiver only uses m segments of them to transmit the pilot. Then, the transmitter obtains the approximate estimation of the eavesdropping channel based on the n-m segments received signal and eliminates the eavesdropping channel part in the channel estimation results of the m segments received signal. Besides, the transmitter designs the precoding matrix and transmits both the signal and the artificial noise, realizing the secure transmission. Finally, the simulation results show the average security rate of the proposed scheme improves 1.34 bit/s/Hz when the jamming power is 100 mW.
Key words : pilot contamination；fragmented pilot transmission；artificial noise；secrecy rate

0 引言

    由于廣播傳輸特性，無線通信網(wǎng)絡(luò)容易受到竊聽、干擾、甚至攻擊而引發(fā)一系列安全問題。針對(duì)這些安全威脅，近年來提出的物理層安全方法從無線信道的本質(zhì)和特點(diǎn)出發(fā)，利用編碼、調(diào)制等通信傳輸手段，研究有效的無線信號(hào)安全傳輸?shù)姆椒?sup>[1]，既保證了合法用戶的通信質(zhì)量，又增加了竊聽者截獲信號(hào)與還原信息的難度。

針對(duì)傳統(tǒng)三節(jié)點(diǎn)竊聽場(chǎng)景，人工噪聲[2]是一種有效的物理層安全方法，它需要發(fā)送方通過信道估計(jì)獲取CSI，即在進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸之前，合法接收方發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，發(fā)送方根據(jù)接收的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)。然而，在竊聽網(wǎng)絡(luò)中，被多次傳輸?shù)膶?dǎo)頻很可能被竊聽方獲取，當(dāng)合法接收方發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)時(shí)，與傳統(tǒng)竊聽方只竊聽[3]或發(fā)送噪聲干擾[4]不同，竊聽方也發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào)，干擾發(fā)送方的信道估計(jì)。針對(duì)這種被稱為導(dǎo)頻干擾的安全問題，文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)了存在小區(qū)間的同頻導(dǎo)頻干擾時(shí)的信道估計(jì)結(jié)果，同時(shí)給出了基于小區(qū)協(xié)作的優(yōu)化方案，但是竊聽方為了增強(qiáng)竊聽性能不可能協(xié)作發(fā)送方，所以該方案不適用于竊聽場(chǎng)景下的主動(dòng)導(dǎo)頻干擾。

    針對(duì)該問題，本文提出一種基于分段導(dǎo)頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案。首先將導(dǎo)頻發(fā)送長度平均分為n段，合法接收方每次選取其中的m段發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，剩余的n-m段不發(fā)導(dǎo)頻信號(hào)。竊聽方為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻干擾，會(huì)在導(dǎo)頻發(fā)送階段一直發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，那么發(fā)送方用n-m段導(dǎo)頻信號(hào)獲取竊聽信道的近似估計(jì)，并用其消除基于m段導(dǎo)頻信號(hào)的信道估計(jì)結(jié)果中的竊聽信道部分，從而降低導(dǎo)頻干擾的影響。最后發(fā)送方根據(jù)獲取的CSI設(shè)計(jì)合理的預(yù)編碼矩陣，同時(shí)發(fā)送信號(hào)和人工噪聲，提高了系統(tǒng)安全性能。理論分析和數(shù)值仿真表明所提方案下的安全速率大大提升。

1 系統(tǒng)模型和問題提出

    在一個(gè)三節(jié)點(diǎn)多天線復(fù)高斯網(wǎng)絡(luò)中，天線數(shù)分別是NA、NB和NE，如圖1所示。

tx6-t1.gif

    在信道估計(jì)階段，導(dǎo)頻信號(hào)可以表示為：

tx6-gs1-3.gif

    由此可知，發(fā)送方到合法接收方之間的信道估計(jì)結(jié)果主要是主信道HBA和竊聽信道HEA的線性相加，且加權(quán)系數(shù)與發(fā)送功率成正相關(guān)。該估計(jì)結(jié)果中的竊聽信道HEA部分使設(shè)計(jì)的預(yù)編碼矩陣有利于竊聽方，系統(tǒng)安全性能受到嚴(yán)重威脅。針對(duì)該安全問題，本文研究有效的物理層安全傳輸方案，從而降低導(dǎo)頻干擾的威脅，保證通信系統(tǒng)的安全性。

2 基于分段導(dǎo)頻發(fā)送和人工噪聲的安全傳輸方案

2.1 n-m段導(dǎo)頻信號(hào)的信道估計(jì)

    如圖2所示，首先將導(dǎo)頻發(fā)送長度Tp平均分為n段，每段長度為ΔT=Ti=Tp/n，i=1，…，n。在信道估計(jì)階段，合法接收方選取其中的m段發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，剩余的n-m段不發(fā)導(dǎo)頻信號(hào)。假設(shè)合法用戶共享每次選取的m段導(dǎo)頻發(fā)送信息，竊聽方無法獲取該信息。于是竊聽方為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻干擾，會(huì)在信道估計(jì)階段一直發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)。發(fā)送方的n-m段接收信號(hào)可以表示為：

    tx6-gs4.gif

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    由于發(fā)送方不知道竊聽方到達(dá)的功率，只知道接收信號(hào)的總功率，采用LS準(zhǔn)則進(jìn)行信道估計(jì)可得：

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2.2 m段導(dǎo)頻信號(hào)的信道估計(jì)

    在m段導(dǎo)頻發(fā)送區(qū)間里，合法接收方增大導(dǎo)頻發(fā)送功率，竊聽方還是發(fā)送導(dǎo)頻干擾，發(fā)送方進(jìn)行第二次信道估計(jì)，易得：

tx6-gs6.gif

     tx6-gs7.gif

    通過兩次信道估計(jì)，在第一階段獲取竊聽信道的估計(jì)結(jié)果，并基于該結(jié)果消除第二次信道估計(jì)結(jié)果中的竊聽信道部分，雖然增加了信道估計(jì)的復(fù)雜度，但是大大降低了竊聽方導(dǎo)頻干擾的影響。由于兩次信道估計(jì)的過程都存在系統(tǒng)噪聲的干擾，最終的信道估計(jì)結(jié)果還存在較大的誤差。

2.3 基于人工噪聲的數(shù)據(jù)傳輸階段

    發(fā)送方通過信道估計(jì)獲取合法節(jié)點(diǎn)間的CSI，根據(jù)該CSI設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣，然后在數(shù)據(jù)傳輸階段同時(shí)發(fā)送經(jīng)過預(yù)編碼的信號(hào)和人工噪聲。xA是經(jīng)過預(yù)編碼后的信號(hào)和噪聲，它可以表示為：

tx6-gs8.gif

    當(dāng)竊聽方只竊聽時(shí)，合法接收方和竊聽方接收的信號(hào)分別為：

     tx6-gs9-10.gif

    基于分段導(dǎo)頻發(fā)送獲取的信道估計(jì)降低了導(dǎo)頻干擾的影響，在此基礎(chǔ)上的人工噪聲能較好地降低竊聽性能，提高系統(tǒng)安全性能。本文所提方案總結(jié)為如下步驟：

    (1)合法接收方將導(dǎo)頻發(fā)送Tp分為n段，選取其中的m段正常發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，剩余的n-m段不發(fā)送。

    (2)發(fā)送方利用n-m段接收信號(hào)獲取竊聽信道的近似估計(jì)tx6-gs9-10-x1.gif用該結(jié)果消除m段信道估計(jì)tx6-gs9-10-x2.gif中的竊聽信道部分。

    (3)發(fā)送方根據(jù)獲取的信道狀態(tài)信息設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣，并在信號(hào)傳輸階段同時(shí)發(fā)送信號(hào)和人工噪聲xA，最終保證了信號(hào)的安全性。

2.4 方案性能分析

    本節(jié)用安全速率[8]這個(gè)指標(biāo)證明所提方案的有效性。

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其中，KB和KE為合法接收方和竊聽方的干擾噪聲協(xié)方差矩陣，可以表示為：

tx6-gs17-18.gif

3 數(shù)值仿真與安全性能分析

    下面用數(shù)值仿真分析所提方案的安全性能。此次仿真在一個(gè)1 km×1 km的區(qū)域中，發(fā)送方和合法接收方的位置坐標(biāo)為(-250 m，0)和(250 m，0)，竊聽方的位置是(0，400 m)，參考距離d0=1 m，路徑衰減常數(shù)α=2，κ=1。令節(jié)點(diǎn)的天線數(shù)和功率分別為NA=7，NB=NE=4，PB=PE=100 mW，噪聲功率為-40 dBm。

    圖3分析了存在半雙工竊聽方時(shí)，系統(tǒng)安全速率隨合法接收方功率的變化。當(dāng)發(fā)送方已知信道狀態(tài)信息，人工噪聲達(dá)到的性能最優(yōu)。當(dāng)竊聽方發(fā)送導(dǎo)頻干擾時(shí)，信道估計(jì)結(jié)果是主信道和竊聽信道的線性疊加，合法接收方發(fā)送功率的增加增大了信道估計(jì)中主信道的加權(quán)系數(shù)，于是導(dǎo)頻干擾下的安全性能隨發(fā)送功率的增加而增加。本文所提方案用第一次信道估計(jì)結(jié)果補(bǔ)償?shù)诙涡诺拦烙?jì)，從而使獲取的信道估計(jì)消除竊聽信道的影響，提高系統(tǒng)安全性能。由圖3可知，本文所提方案下的安全速率比存在導(dǎo)頻干擾時(shí)平均提高了1.34 bit/s/Hz，然而兩次信道估計(jì)都受系統(tǒng)噪聲的影響，使最終的估計(jì)結(jié)果和主信道有偏差，于是，該方案達(dá)到的性能比已知CSI場(chǎng)景下的性能要差。

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    圖4研究了系統(tǒng)噪聲對(duì)所提方案性能的影響。噪聲功率從-70 dBm～-10 dBm變化時(shí)，安全速率都隨之降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)-20 dBm時(shí)，安全速率幾乎為零，這是因?yàn)樵跇O惡劣的系統(tǒng)噪聲環(huán)境下，無法進(jìn)行正常通信。隨噪聲功率的增大，本文方案和已知CSI的安全速率差值先增大后減小，這是因?yàn)閺?70 dBm～-40 dBm的噪聲區(qū)間里，噪聲功率值較小，本文方案的誤差因噪聲功率較小而較小，達(dá)到的安全性能更好。當(dāng)噪聲功率增大到破壞正常通信時(shí)，所有方案的性能度急劇惡化。

tx6-t4.gif

4 結(jié)論

    在一個(gè)三節(jié)點(diǎn)MIMO竊聽網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)竊聽方在信道估計(jì)階段發(fā)送惡意導(dǎo)頻干擾，系統(tǒng)安全性能受到嚴(yán)重威脅。針對(duì)該安全問題，本文提出一種基于分段導(dǎo)頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案，首先將導(dǎo)頻發(fā)送長度平均分為n段，合法接收方每次選取其中的m段發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，剩余的n-m段不發(fā)導(dǎo)頻信號(hào)。發(fā)送方用對(duì)應(yīng)的n-m段接收信號(hào)獲取竊聽信道的近似估計(jì)，并用其消除基于m段導(dǎo)頻信號(hào)的信道估計(jì)結(jié)果中的竊聽信道部分，從而獲取準(zhǔn)確的信道估計(jì)結(jié)果。然后發(fā)送方設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣，并同時(shí)發(fā)送信號(hào)和人工噪聲，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的安全傳輸。最后，通過理論分析證明所提方案的安全性。數(shù)值仿真表明當(dāng)干擾功率為100 mW時(shí)，本文所提方案下的安全速率平均提高了1.34 bit/s/Hz。

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作者信息:

卓國鋒1，杜圣東2，林勝斌3

(1.成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，四川 成都610041；

2.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610031；3.重慶通信學(xué)院，重慶400000）

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