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。基站和中繼之間的信道用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。
參考文獻(xiàn)
[1] Chen Xianming，DERRICK W K，GERSTACKER W H，et al.A survey on multiple-antenna techniques for physical layer security[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，IEEE，2017，19(2)：1027-1053.
[2] 王茜竹，邱聰聰，黃德玲.面向5G的大規(guī)模MIMO關(guān)鍵技術(shù)研究分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(7)：24-27.
[3] 朱雪田，夏旭，齊飛.5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和業(yè)務(wù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：1-4，8.
[4] GOEL S，NEGI R.Guaranteeing secrecy using artificial noise[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(6)：2180-2189.
[5] Liu Shuiyin，Hong Yi，VITERBO E.Artificial noise revisited[C].IEEE Transactions on Information Theory，2014.
[6] Tang Yanqun，Xiong Jun，Ma Dongtang，et al.Robust artificial noise aided transmit design for MISO wiretap channels with channel uncertainty[J].IEEE Communications Letters，2013，17(11)：2096-2099.
[7] ZHU J，SCHOBER R，BHARGAVA V K.Secure transmission in multicell massive MIMO systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2014，13(9)：4766-4781.
[8] TIMILSINA S，AMARASURIYA G.Secure communication in relay-assisted massive MIMO downlink[C].GLOBECOM 2017-2017 IEEE Global Communication Conference,2017.
[9] ZHU J，SCHOBER R，BHARGAVA V K.Linear precoding of data and artificial noise in secure massive MIMO systems[J].IEEE Transactions Wireless Communications，2016，15(3)：2245-2261.
[10] WU Y.Secure massive MIMO transmission with an active eavesdropper[J].IEEE Transactions on Information Theory，2016，62(7)：3880-3900.
[11] KAY S M.Fundamentals of statistical signal processing: estimation theory[Z].Upper Saddle River，NJ，USA：Prentice-Hall,Inc.，1993.
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)