《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的中繼協(xié)作物理層安全研究
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
陳瑞冬，耿 烜
上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海201306
摘要： 傳統(tǒng)無(wú)線通信的安全依靠上層加密，無(wú)法保護(hù)物理層的安全。為了克服傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)加密的不足，采用人工噪聲（Artificial Noise）生成和隨機(jī)預(yù)編碼器來(lái)研究中繼協(xié)作下大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）下行鏈路系統(tǒng)的安全傳輸方法。針對(duì)估計(jì)的信道狀態(tài)信息推導(dǎo)出和速率表達(dá)式，分析得出用戶節(jié)點(diǎn)上的保密率。針對(duì)基站處的最小均方誤差預(yù)編碼器（MMSE）和迫零（ZF）預(yù)編碼器，分析對(duì)比其性能差距。理論分析和仿真結(jié)果表明，該方法可以為大規(guī)模MIMO中繼系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全的物理層傳輸策略，且MMSE預(yù)編碼器比ZF預(yù)編碼器表現(xiàn)出更好的保密性能。
中圖分類號(hào)： TN925
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.
Research on relay-based physical layer security based on massive MIMO
Chen Ruidong，Geng Xuan
School of Information Engineering，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China
Abstract： The security of traditional wireless communication relies on upper layer encryption and cannot protect the security of the physical layer. In order to overcome the shortcomings of traditional wireless communication system encryption, artificial noise generation and random precoder are used to study the secure transmission method of large-scale multiple input multiple output(MIMO) downlink system under relay cooperation. The estimated channel state information is derived and the rate expression is derived,and then the confidentiality rate on the user node is analyzed. The performance gap is analyzed and compared for the minimum mean square error precoder(MMSE) and zero forcing(ZF) precoder at the base station. Theoretical analysis and simulation results show that this method can design a secure physical layer transmission strategy for large-scale MIMO relay systems, and the MMSE precoder exhibits better security performance than the ZF precoder.
Key words : physical layer security；massive MIMO；precoder；artificial noise；collaboration

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，基站和竊聽者之間的信道用E來(lái)表示，中繼和竊聽者之間的信道用H來(lái)表示，這些信道可以統(tǒng)一建模如下：

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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：

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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：

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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：

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2.2 泄漏到竊聽端的信息速率

    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：

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    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，基站到竊聽端和中繼到竊聽端的距離均為200 m。仿真得出第k個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的和速率相對(duì)竊聽端天線數(shù)量的變化關(guān)系，如圖1所示。當(dāng)竊聽端擁有的天線數(shù)量大于5時(shí)，泄漏到竊聽端的信息速率超過(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。這是由于竊聽端的可用自由度增加，竊聽端截獲第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端的信息速率有效降低，故其保密性能有所提升。

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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)

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