多用戶MIMO系統(tǒng)下行鏈路物理層安全技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線物理層安全旨在利用無(wú)線信道的特性來(lái)設(shè)計(jì)有效的安全通信策略，它從信息論安全角度增強(qiáng)現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性，為解決無(wú)線通信安全問(wèn)題提供了一種新的思路，具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。多用戶多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)系統(tǒng)通過(guò)利用空間資源，采用靈活的空時(shí)處理及預(yù)編碼技術(shù)可以使基站同時(shí)與多個(gè)用戶進(jìn)行通信，能極大地提高系統(tǒng)的吞吐量。本文研究了多用戶M IM O系統(tǒng)下行鏈路物理層安全技術(shù)，以

2、保證用戶服務(wù)質(zhì)量以及最大化系統(tǒng)保密容量為目的，研究兼顧信息傳輸安全性、可靠性和有效性的通信手段，在保證合法用戶傳輸可靠性和有效性的同時(shí)，從信息論意義上最大限度降低竊聽者能夠獲取的信息量。
　　論文從用戶服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS)的角度，首先對(duì)廣義單用戶MIMO竊聽信道的線性預(yù)編碼設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。以均方誤差（Mean Square Error，M S E)作為QoS性能準(zhǔn)則，針對(duì)發(fā)送端已知合法用戶準(zhǔn)確信

3、道矩陣的情況，根據(jù)是否已知竊聽者的信道狀態(tài)信息，分別提出了兩種基于線性最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)收發(fā)機(jī)聯(lián)合優(yōu)化的物理層安全傳輸方案。第一種方案考慮發(fā)送端未知竊聽信道矩陣的情況，采用人工噪聲輔助的發(fā)送策略，在滿足合法用戶給定MSE要求和總功率約束的條件下，通過(guò)最大化人工噪聲的發(fā)射功率，從而最大程度惡化竊聽者的接收質(zhì)量；第二種方案假設(shè)發(fā)送端已知竊聽信道矩陣，采用最優(yōu)線性MMSE預(yù)編碼來(lái)發(fā)送秘

4、密數(shù)據(jù)流，在滿足合法用戶給定MSE要求的同時(shí)最大化竊聽者可達(dá)到的MSE。仿真結(jié)果表明，以MSE為準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的物理層安全傳輸方案，可以在保證合法用戶接收質(zhì)量的同時(shí)最大程度地惡化竊聽者的接收性能，從而實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)目煽啃院捅Ｃ苄浴?br>　　論文進(jìn)一步考慮同時(shí)存在多個(gè)合法用戶的情形，假設(shè)竊聽信道信息未知，根據(jù)基站獲取到的合法用戶信道信息是否理想，研究了下行多用戶M IM O系統(tǒng)安全通信的掩蔽波束成形方案。該方案基于人工噪聲輔助的策略，在滿足每

5、個(gè)合法用戶給定MSE要求和總功率約束的條件下，最大化人工噪聲的發(fā)送功率以最大程度干擾竊聽者。假設(shè)系統(tǒng)采用時(shí)分雙工（Time Division Duplex，TDD)模式，發(fā)送端信道狀態(tài)信息（Channel State Information at the Transmitter，CSIT)可以利用信道的互易性而獲得。當(dāng)基站獲取到的CSIT理想時(shí)，采用MMSE平衡算法可以最小化滿足合法用戶鏈路傳輸所必需的和功率，利用剩余的發(fā)送功率廣播人工

6、噪聲來(lái)最大程度地惡化竊聽者的接收質(zhì)量；針對(duì)C S IT非理想情況，為了解決由于合法用戶信道和人工噪聲之間的正交性被破壞而造成的噪聲泄漏問(wèn)題，論文主要考慮了信道估計(jì)誤差和時(shí)延兩種誤差來(lái)源，首先對(duì)這兩種信道誤差進(jìn)行建模，建立了一種隨機(jī)信道狀態(tài)信息不確定性模型，然后采用貝葉斯方法推導(dǎo)出了平均MSE上下行鏈路對(duì)偶性，利用該對(duì)偶性提出了一種具有魯棒性的掩蔽波束成形算法。仿真結(jié)果表明所提魯棒性算法能夠極大地降低系統(tǒng)對(duì)CSIT誤差的敏感性，在滿足各個(gè)

7、用戶給定MSE要求的同時(shí)，最大程度地惡化了潛在竊聽者的接收質(zhì)量。
　　論文繼而研究了頻分雙工（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD)系統(tǒng)中，協(xié)同干擾下的單用戶多輸入單輸出（Multiple-Input Single-Output，MISO)竊聽信道中發(fā)送端量化信道信息對(duì)系統(tǒng)可達(dá)保密速率的影響。協(xié)同干擾技術(shù)是人工噪聲輔助策略的擴(kuò)展，它通過(guò)引入一個(gè)友好的幫助節(jié)點(diǎn)來(lái)提供干擾信號(hào)以惡化竊聽者的接收質(zhì)量。在給定合法用戶

8、總反饋比特?cái)?shù)目的情況下，研究了如何給發(fā)送節(jié)點(diǎn)和幫助節(jié)點(diǎn)反饋比特最優(yōu)分配的問(wèn)題。首先假設(shè)發(fā)送端已知竊聽信道的統(tǒng)計(jì)分布信息，論文研究了最大化遍歷保密速率策略，推導(dǎo)了系統(tǒng)可達(dá)遍歷保密速率的解析表達(dá)式。然后研究了最小化保密速率平均損失策略，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)和幫助節(jié)點(diǎn)具有固定功率分配的情形下，推導(dǎo)出了保密速率平均損失的一個(gè)近似上界，通過(guò)最小化該上界得到了自適應(yīng)反饋比特分配的一個(gè)閉合解。論文進(jìn)而將最小化平均保密速率損失的策略推廣到了具有多個(gè)合法接收節(jié)點(diǎn)的

9、MISO廣播竊聽信道的場(chǎng)景。數(shù)值仿真結(jié)果表明，通過(guò)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)和幫助節(jié)點(diǎn)之間自適應(yīng)地分配反饋比特?cái)?shù)目，可以使保密性能大幅度提升。
　　以上三部分研究?jī)?nèi)容都是針對(duì)單個(gè)用戶或用戶數(shù)目小于基站發(fā)送天線數(shù)目的場(chǎng)景，然而在實(shí)際系統(tǒng)中的用戶數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基站的發(fā)送天線數(shù)目，因而在進(jìn)行基于物理層安全的預(yù)編碼設(shè)計(jì)之前需要進(jìn)行用戶選擇。多用戶M IM O系統(tǒng)由于提供了額外的用戶維度，可以被進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用于增強(qiáng)物理層安全。論文最后考慮了在竊聽者存在的情形

10、下，一個(gè)多天線基站與大量單天線用戶進(jìn)行安全通信的場(chǎng)景。首先假設(shè)基站已知所有合法用戶的瞬時(shí)信噪比和竊聽信道的統(tǒng)計(jì)分布信息，采用機(jī)會(huì)調(diào)度策略每次選擇一個(gè)合法用戶進(jìn)行通信，分別推導(dǎo)出了在瑞利衰落信道下，最大化瞬時(shí)信噪比和近似比例公平調(diào)度兩種機(jī)會(huì)調(diào)度方案可達(dá)到的遍歷保密速率和截獲概率，并得到相應(yīng)的閉合表達(dá)式。數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了所推導(dǎo)的解析結(jié)果與仿真結(jié)果完全匹配，從理論上證明了適當(dāng)?shù)挠脩粽{(diào)度方案可以提高系統(tǒng)的安全性。然后針對(duì)正交隨機(jī)波束成形方案在