0序言
因?yàn)閺V播傳輸特點(diǎn)，無線通訊網(wǎng)路容易遭到監(jiān)聽、干擾、甚至功擊而引起一系列安全問題。針對(duì)這種安全恐嚇，近些年來提出的數(shù)學(xué)層安全方式從無線信道的本質(zhì)和特性出發(fā)，借助編碼、調(diào)制等通訊傳輸手段，研究有效的無線訊號(hào)安全傳輸?shù)姆绞絒1]，既保證了合法用戶的通訊質(zhì)量，又降低了監(jiān)聽者查獲訊號(hào)與還原信息的難度。
針對(duì)傳統(tǒng)三節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽場景，人工噪音[2]是一種有效的化學(xué)層安全方式，它須要發(fā)送方通過信道恐怕獲取CSI，即在進(jìn)行數(shù)據(jù)訊號(hào)傳輸之前，合法接收方發(fā)送導(dǎo)頻訊號(hào)，發(fā)送方按照接收的導(dǎo)頻訊號(hào)進(jìn)行信道恐怕。但是，在監(jiān)聽網(wǎng)路中，被多次傳輸?shù)膶?dǎo)頻很可能被監(jiān)聽方獲取，當(dāng)合法接收方發(fā)送導(dǎo)頻訊號(hào)時(shí)，與傳統(tǒng)監(jiān)聽方只監(jiān)聽[3]或發(fā)送噪音干擾[4]不同，監(jiān)聽方也發(fā)射導(dǎo)頻訊號(hào)，干擾發(fā)送方的信道恐怕。針對(duì)這些被稱為導(dǎo)頻干擾的安全問題，文獻(xiàn)[5]推論了存在新村間的同頻導(dǎo)頻干擾時(shí)的信道恐怕結(jié)果，同時(shí)給出了基于新村協(xié)作的優(yōu)化方案，并且監(jiān)聽方為了提高監(jiān)聽性能不可能協(xié)作發(fā)送方，所以該方案不適用于監(jiān)聽場景下的主動(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)送和人工噪音的數(shù)學(xué)層安全傳輸方案。首先將導(dǎo)頻發(fā)送寬度平均分為n段，合法接收方每次選定其中的m段發(fā)送導(dǎo)頻訊號(hào)，剩余的n-m段不發(fā)導(dǎo)頻訊號(hào)。監(jiān)聽方為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻干擾，會(huì)在導(dǎo)頻發(fā)送階段始終發(fā)送導(dǎo)頻訊號(hào)，這么發(fā)送方用n-m段導(dǎo)頻訊號(hào)獲取監(jiān)聽信道的近似恐怕，并用其清除基于m段導(dǎo)頻訊號(hào)的信道恐怕結(jié)果中的監(jiān)聽信道部份，因而增加導(dǎo)頻干擾的影響。最后發(fā)送方按照獲取的CSI設(shè)計(jì)合理的預(yù)編碼矩陣，同時(shí)發(fā)送訊號(hào)和人工噪音，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性能。理論剖析和數(shù)值仿真表明所提方案下的安全速度大大提高。
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)路中，天線數(shù)分別是NA、NB和NE，如圖1所示。
在信道恐怕階段，導(dǎo)頻訊號(hào)可以表示為：
由此可知，發(fā)送方到合法接收方之間的信道恐怕結(jié)果主要是主信道HBA和監(jiān)聽信道HEA的線性相乘，且加權(quán)系數(shù)與發(fā)送功率成正相關(guān)。該恐怕結(jié)果中的監(jiān)聽信道HEA部份使設(shè)計(jì)的預(yù)編碼矩陣有利于監(jiān)聽方，系統(tǒng)安全性能遭到嚴(yán)重恐嚇。針對(duì)該安全問題，本文研究有效的化學(xué)層安全傳輸方案，進(jìn)而增加導(dǎo)頻干擾的恐嚇，保證通訊系統(tǒng)的安全性。
2基于分段導(dǎo)頻發(fā)送和人工噪音的安全傳輸方案
2.1n-m段導(dǎo)頻訊號(hào)的信道恐怕
如圖2所示，首先將導(dǎo)頻發(fā)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(dǎo)圖，…，n。在信道恐怕階段，合法接收方選定其中的m段發(fā)送導(dǎo)頻訊號(hào)，剩余的n-m段不發(fā)導(dǎo)頻訊號(hào)。假定合法用戶共享每次選定的m段導(dǎo)頻發(fā)送信息，監(jiān)聽方未能獲取該信息。于是監(jiān)聽方為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)頻干擾，會(huì)在信道恐怕階段始終發(fā)送導(dǎo)頻訊號(hào)。發(fā)送方的n-m段接收訊號(hào)可以表示為：
因?yàn)榘l(fā)送方不曉得監(jiān)聽方抵達(dá)的功率，只曉得接收訊號(hào)的總功率，采用LS準(zhǔn)則進(jìn)行信道恐怕可得：
2.2m段導(dǎo)頻訊號(hào)的信道恐怕
在m段導(dǎo)頻發(fā)送區(qū)間里，合法接收方減小導(dǎo)頻發(fā)送功率，監(jiān)聽方還是發(fā)送導(dǎo)頻干擾，發(fā)送方進(jìn)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(jiān)聽信道的恐怕結(jié)果，并基于該結(jié)果去除第二次信道恐怕結(jié)果中的監(jiān)聽信道部份，即使降低了信道恐怕的復(fù)雜度，而且大大增加了監(jiān)聽方導(dǎo)頻干擾的影響。因?yàn)閮纱涡诺揽峙碌倪^程都存在系統(tǒng)噪音的干擾，最終的信道恐怕結(jié)果還存在較大的偏差。
2.3基于人工噪音的數(shù)據(jù)傳輸階段
發(fā)送方通過信道恐怕獲取合法節(jié)點(diǎn)間的CSI，按照該CSI設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣，之后在數(shù)據(jù)傳輸階段同時(shí)發(fā)送經(jīng)過預(yù)編碼的訊號(hào)和人工噪音。xA是經(jīng)過預(yù)編碼后的訊號(hào)和噪音，它可以表示為：
當(dāng)監(jiān)聽方只監(jiān)聽時(shí)，合法接收方和監(jiān)聽方接收的訊號(hào)分別為：
基于分段導(dǎo)頻發(fā)送獲取的信道恐怕增加了導(dǎo)頻干擾的影響，在此基礎(chǔ)上的人工噪音能較好地增加監(jiān)聽性能，增強(qiáng)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，選定其中的m段正常發(fā)送導(dǎo)頻訊號(hào)，剩余的n-m段不發(fā)送。
(2)發(fā)送方借助n-m段接收訊號(hào)獲取監(jiān)聽信道的近似恐怕
用該結(jié)果清除m段信道恐怕
中的監(jiān)聽信道部份。
(3)發(fā)送方按照獲取的信道狀態(tài)信息設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣，并在訊號(hào)傳輸階段同時(shí)發(fā)送訊號(hào)和人工噪音xA，最終保證了訊號(hào)的安全性。
2.4方案性能剖析
本節(jié)用安全速度[8]這個(gè)指標(biāo)證明所提方案的有效性。
其中，KB和KE為合法接收方和監(jiān)聽方的干擾噪音協(xié)殘差矩陣，可以表示為：
3數(shù)值仿真與安全性能剖析
下邊用數(shù)值仿真剖析所提方案的安全性能。這次仿真在一個(gè)1km×1km的區(qū)域中，發(fā)送方和合法接收方的位置座標(biāo)為(-250m，0)和(250m，0)聲的利用和噪聲思維導(dǎo)圖，監(jiān)聽方的位置是(0，400m)，參考距離d0=1m，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=100mW，噪音功率為-40dBm。
圖3剖析了存在半雙工監(jiān)聽方時(shí)，系統(tǒng)安全速度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，人工噪音達(dá)到的性能最優(yōu)。當(dāng)監(jiān)聽方發(fā)送導(dǎo)頻干擾時(shí)，信道恐怕結(jié)果是主信道和監(jiān)聽信道的線性疊加，合法接收方發(fā)送功率的降低減小了信道恐怕中主信道的加權(quán)系數(shù)，于是導(dǎo)頻干擾下的安全性能隨發(fā)送功率的降低而降低。本文所提方案用第一次信道恐怕結(jié)果補(bǔ)償?shù)诙涡诺揽峙?，進(jìn)而使獲取的信道恐怕清除監(jiān)聽信道的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)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(dǎo)頻干擾時(shí)平均提升了1.34bit/s/Hz，但是兩次信道恐怕都受系統(tǒng)噪音的影響，使最終的恐怕結(jié)果和主信道有誤差，于是，該方案達(dá)到的性能比已知CSI場景下的性能要差。
圖4研究了系統(tǒng)噪音對(duì)所提方案性能的影響。噪音功率從-70dBm～-10dBm變化時(shí)，安全速度都急劇增加，當(dāng)?shù)诌_(dá)-20dBm時(shí)，安全速度幾乎為零，這是由于在極惡劣的系統(tǒng)噪音環(huán)境下，未能進(jìn)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(qū)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(dá)到的安全性能更好。當(dāng)噪音功率減小到破壞正常通訊時(shí)，所有方案的性能度大幅惡化。
4推論
在一個(gè)三節(jié)點(diǎn)MIMO監(jiān)聽網(wǎng)路中，當(dāng)監(jiān)聽方在信道恐怕階段發(fā)送惡意導(dǎo)頻干擾，系統(tǒng)安全性能遭到嚴(yán)重恐嚇。針對(duì)該安全問題，本文提出一種基于分段導(dǎo)頻發(fā)送和人工噪音的數(shù)學(xué)層安全傳輸方案，首先將導(dǎo)頻發(fā)送寬度平均分為n段，合法接收方每次選定其中的m段發(fā)送導(dǎo)頻訊號(hào)，剩余的n-m段不發(fā)導(dǎo)頻訊號(hào)。發(fā)送方用對(duì)應(yīng)的n-m段接收訊號(hào)獲取監(jiān)聽信道的近似恐怕，并用其清除基于m段導(dǎo)頻訊號(hào)的信道恐怕結(jié)果中的監(jiān)聽信道部份，因而獲取確切的信道恐怕結(jié)果。之后發(fā)送方設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣，并同時(shí)發(fā)送訊號(hào)和人工噪音，實(shí)現(xiàn)訊號(hào)的安全傳輸。最后，通過理論剖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100mW時(shí)，本文所提方案下的安全速度平均提升了1.34bit/s/Hz。
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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(yè)技術(shù)大學(xué)軟件大學(xué)，浙江杭州；
2.東北交通學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)大學(xué)，浙江杭州；3.上海通訊大學(xué)，上海）