【 摘 要 】 多天线通信系统物理层安全已成为近年通信安全领域重要研究方向。本文全面总结了多天线通信系统物理层安全研究的现状，梳理了最新的多天线通信系统中物理层安全传输技术的基本原理和主要方法，指出其适用场景及需要进一步解决的问题，并对未来发展方向进行展望。

　　【 关键词 】 多天线通信系统；物理层安全；保密容量；安全传输技术

　　1 引言

　　无线信道的开放性、广播特性使得移动通信网络面临很多的安全威胁。传统通信系统的安全性依赖于攻击方计算资源和时间的有限性假设，随着高速计算机、并行计算等技术的飞速发展，如果密钥一旦泄露或被攻击者通过计算破解，整个安全体系将彻底崩溃。物理层安全旨在利用无线信道的物理特性，以达到Shannon无条件安全为最终目标，其独特优势和严密的理论基础揭示了其巨大的发展前景。

　　多天线通信技术可以提供很高的数据传输率和频谱利用率，相对单天线通信系统而言，多天线系的信道敏感性为物理层加密提高了丰富的资源，在Wyner的窃听信道模型基础上，大量学者先后针对多天线模型在不同衰落信道环境下的理论安全容量进行了分析。同时，近年来的努力，在多天线通信系统中已经出现了一些代表性的物理层安全传输策略，如结合人工噪声的波束赋形与预编码联合优化策略、利用阵列冗余产生安全增益、天线选择策略、中继协同、跨层安全等。本文总结了多天线通信系统物理层安全发展的现状，全面梳理了多天线通信系统物理层安全基本原理和主要方法，指出其适用场景及有待解决的问题，并对未来发展方向进行展望。

　　2 多天线通信系统窃听信道模型及保密容量

　　在信道给定的情况下，总可以在一个最大安全传输效率Cs下实现消息的绝对安全可靠传输，称为该信道条件下的保密容量。根据香农的一次一秘安全理论，Wyner提出的窃听信道模型并证明在窃听信道比合法信道更差的条件下，存在安全编码可以实现无条件秘密通信。Csiszar将这个概念发展为无线广播的窃听信道。

　　J.Barros研究在准静态衰落信道条件中指出：即使窃听信道优于主信道，依然可以以一定概率条件下实现保密通信，据此提出了中断概率的概念，衡量在特定条件下通信双方可实现保密通信的最大概率。

　　在多天线环境下， Oggier等人针对MIMO窃听信道场景，刻画了该场景下的安全容量上界。为方便讨论，设MIMO窃听信道中信源Alice有NT根发送天线，合法接收方Bob有NR根接收天线，窃听者Eve有NE根天线，Bob与Eve接收到的信号可以描述为

　　YBob=HAX+VA

　　YEve=HEX+VE （1）

　　其中X为Alice发射复信号，HA与HE分别为NR×NT维和NE×NT维的信道矩阵，VA和VE分别为协方差矩阵为单位矩阵的独立圆对称高斯随机向量。当信号X的平均功率限定时，该系统的保密容量为：

　　CS=■（log det（I+HAKXHAH）-det（I+HEKXHEH））（2）

　　Oggier等人的研究对多天线系统物理层安全传输技术的研究提供了理论分析支，为探索实用的物理层安全通信方法奠定了坚实的基础。

　　3 多天线通信系统物理层安全传输技术及研究进展

　　3.1 结合人工噪声的波束成形技术

　　基于波束形成的安全通信主要思想是在各个阵列输出的基础上进行加权求和从而形成发送的天线波束，运用最优准则调节天线阵的各个天线单元的加权向量，提高信号的输出信噪比，以达到抑制干扰、安全通信的目的。Shabnam Shafiee在信道状态信息（CSI）准确的假设下讨论了在MISO窃听信道上的以最优化保密容量为目的的波束成形设计，但是实际中关于窃听端的CSI却很难做到十分准确。

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