0序言
因為廣播傳輸特點，無線通訊網路容易遭到監聽、干擾、甚至功擊而引起一系列安全問題。針對這種安全恐嚇，近些年來提出的數學層安全方式從無線信道的本質和特性出發，借助編碼、調制等通訊傳輸手段，研究有效的無線訊號安全傳輸的方式[1]，既保證了合法用戶的通訊質量，又降低了監聽者查獲訊號與還原信息的難度。
針對傳統三節點監聽場景，人工噪音[2]是一種有效的化學層安全方式，它須要發送方通過信道恐怕獲取CSI，即在進行數據訊號傳輸之前，合法接收方發送導頻訊號，發送方按照接收的導頻訊號進行信道恐怕。但是，在監聽網路中，被多次傳輸的導頻很可能被監聽方獲取，當合法接收方發送導頻訊號時，與傳統監聽方只監聽[3]或發送噪音干擾[4]不同，監聽方也發射導頻訊號，干擾發送方的信道恐怕。針對這些被稱為導頻干擾的安全問題，文獻[5]推論了存在新村間的同頻導頻干擾時的信道恐怕結果，同時給出了基于新村協作的優化方案，并且監聽方為了提高監聽性能不可能協作發送方，所以該方案不適用于監聽場景下的主動導頻干擾。
針對該問題，本文提出一種基于分段導頻發送和人工噪音的數學層安全傳輸方案。首先將導頻發送寬度平均分為n段，合法接收方每次選定其中的m段發送導頻訊號，剩余的n-m段不發導頻訊號。監聽方為了實現導頻干擾，會在導頻發送階段始終發送導頻訊號，這么發送方用n-m段導頻訊號獲取監聽信道的近似恐怕，并用其清除基于m段導頻訊號的信道恐怕結果中的監聽信道部份，因而增加導頻干擾的影響。最后發送方按照獲取的CSI設計合理的預編碼矩陣，同時發送訊號和人工噪音，增強了系統安全性能。理論剖析和數值仿真表明所提方案下的安全速度大大提高。
1系統模型和問題提出
在一個三節點多天線復高斯網路中，天線數分別是NA、NB和NE，如圖1所示。
在信道恐怕階段，導頻訊號可以表示為：
由此可知，發送方到合法接收方之間的信道恐怕結果主要是主信道HBA和監聽信道HEA的線性相乘，且加權系數與發送功率成正相關。該恐怕結果中的監聽信道HEA部份使設計的預編碼矩陣有利于監聽方，系統安全性能遭到嚴重恐嚇。針對該安全問題，本文研究有效的化學層安全傳輸方案，進而增加導頻干擾的恐嚇，保證通訊系統的安全性。
2基于分段導頻發送和人工噪音的安全傳輸方案
2.1n-m段導頻訊號的信道恐怕
如圖2所示，首先將導頻發送寬度Tp平均分為n段，每段寬度為ΔT=Ti=Tp/n，i=1聲的利用和噪聲思維導圖，…，n。在信道恐怕階段，合法接收方選定其中的m段發送導頻訊號，剩余的n-m段不發導頻訊號。假定合法用戶共享每次選定的m段導頻發送信息，監聽方未能獲取該信息。于是監聽方為了實現導頻干擾，會在信道恐怕階段始終發送導頻訊號。發送方的n-m段接收訊號可以表示為：
因為發送方不曉得監聽方抵達的功率，只曉得接收訊號的總功率，采用LS準則進行信道恐怕可得：
2.2m段導頻訊號的信道恐怕
在m段導頻發送區間里，合法接收方減小導頻發送功率，監聽方還是發送導頻干擾，發送方進行第二次信道恐怕，易得：
通過兩次信道恐怕，在第一階段獲取監聽信道的恐怕結果，并基于該結果去除第二次信道恐怕結果中的監聽信道部份，即使降低了信道恐怕的復雜度，而且大大增加了監聽方導頻干擾的影響。因為兩次信道恐怕的過程都存在系統噪音的干擾，最終的信道恐怕結果還存在較大的偏差。
2.3基于人工噪音的數據傳輸階段
發送方通過信道恐怕獲取合法節點間的CSI，按照該CSI設計預編碼矩陣，之后在數據傳輸階段同時發送經過預編碼的訊號和人工噪音。xA是經過預編碼后的訊號和噪音，它可以表示為：
當監聽方只監聽時，合法接收方和監聽方接收的訊號分別為：
基于分段導頻發送獲取的信道恐怕增加了導頻干擾的影響，在此基礎上的人工噪音能較好地增加監聽性能，增強系統安全性能。本文所提方案總結為如下步驟：
(1)合法接收方將導頻發送Tp分為n段，選定其中的m段正常發送導頻訊號，剩余的n-m段不發送。
(2)發送方借助n-m段接收訊號獲取監聽信道的近似恐怕
用該結果清除m段信道恐怕
中的監聽信道部份。
(3)發送方按照獲取的信道狀態信息設計預編碼矩陣，并在訊號傳輸階段同時發送訊號和人工噪音xA，最終保證了訊號的安全性。
2.4方案性能剖析
本節用安全速度[8]這個指標證明所提方案的有效性。
其中，KB和KE為合法接收方和監聽方的干擾噪音協殘差矩陣，可以表示為：
3數值仿真與安全性能剖析
下邊用數值仿真剖析所提方案的安全性能。這次仿真在一個1km×1km的區域中，發送方和合法接收方的位置座標為(-250m，0)和(250m，0)聲的利用和噪聲思維導圖，監聽方的位置是(0，400m)，參考距離d0=1m，路徑衰減常數α=2，κ=1。令節點的天線數和功率分別為NA=7，NB=NE=4，PB=PE=100mW，噪音功率為-40dBm。
圖3剖析了存在半雙工監聽方時，系統安全速度隨合法接收方功率的變化。當發送方已知信道狀態信息，人工噪音達到的性能最優。當監聽方發送導頻干擾時，信道恐怕結果是主信道和監聽信道的線性疊加，合法接收方發送功率的降低減小了信道恐怕中主信道的加權系數，于是導頻干擾下的安全性能隨發送功率的降低而降低。本文所提方案用第一次信道恐怕結果補償第二次信道恐怕，進而使獲取的信道恐怕清除監聽信道的影響，增強系統安全性能。由圖3可知，本文所提方案下的安全速度比存在導頻干擾時平均提升了1.34bit/s/Hz，但是兩次信道恐怕都受系統噪音的影響，使最終的恐怕結果和主信道有誤差，于是，該方案達到的性能比已知CSI場景下的性能要差。
圖4研究了系統噪音對所提方案性能的影響。噪音功率從-70dBm～-10dBm變化時，安全速度都急劇增加，當抵達-20dBm時，安全速度幾乎為零，這是由于在極惡劣的系統噪音環境下，未能進行正常通訊。隨噪音功率的減小，本文方案和已知CSI的安全速度差值先減小后減少，這是由于從-70dBm～-40dBm的噪音區間里，噪音功率值較小，本文方案的偏差因噪音功率較小而較小，達到的安全性能更好。當噪音功率減小到破壞正常通訊時，所有方案的性能度大幅惡化。
4推論
在一個三節點MIMO監聽網路中，當監聽方在信道恐怕階段發送惡意導頻干擾，系統安全性能遭到嚴重恐嚇。針對該安全問題，本文提出一種基于分段導頻發送和人工噪音的數學層安全傳輸方案，首先將導頻發送寬度平均分為n段，合法接收方每次選定其中的m段發送導頻訊號，剩余的n-m段不發導頻訊號。發送方用對應的n-m段接收訊號獲取監聽信道的近似恐怕，并用其清除基于m段導頻訊號的信道恐怕結果中的監聽信道部份，因而獲取確切的信道恐怕結果。之后發送方設計預編碼矩陣，并同時發送訊號和人工噪音，實現訊號的安全傳輸。最后，通過理論剖析證明所提方案的安全性。數值仿真表明當干擾功率為100mW時，本文所提方案下的安全速度平均提升了1.34bit/s/Hz。
參考文獻
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作者信息:
卓國鋒1，杜圣東2，林勝斌3
(1.北京職業技術大學軟件大學，浙江杭州；
2.東北交通學院信息科學與技術大學，浙江杭州；3.上海通訊大學，上海）