多天线通信系统物理层安全可靠传输技术研究进展(2)
为提高保密通信的中断概率,Satashu.G提出的人工噪声辅助法的核心思想是在发送端人工地产生特定形式的噪声来协助需要传递的信号,针对Eve窃听信道会被衰落,而不会影响到合法接收端Bob对信号的接收。在发送端天线数大于接收端天线数的情况下利用多天线在主信道的零空间内传递人工噪声。令在k时刻发射信号为:
xK=wKuK+zK (3)
wK为波束成形向量,uK为发送序列,zK为高斯分布变量的人工噪声且满足在Alice和Bob的信道矩阵HK的零空间内即HKzK=0且HKwK≠0。则Bob和Eve的接受信号为:
yBobk=Hkwku+nk
yEvek=Gkwku+Gkzk+ek (4)
其中Gk为窃听方Eve的信道矩阵,ek 为信道噪声,在最优化安全容量的求解中得出发送端必须用至少NE个空间维度来产生人工噪声,剩下的空间维度用于传输信息信号,当Eve 具有多个天线或者有多个联合窃听者且其天线数目总和大于Alice 的发送天线数目时,人工噪声可以被Eve计算并完全消除。
通过使用人工噪声法不管窃听信道的信道状态是否好于主信道的信道状态,都可确保实现一定最小速率的保密通信,但是由于人工噪声的引入,造成功率利用率很低,若窃听端增加天线数目,发送方就需要更多的空间维度去产生人工噪声,则用来传输信息信号的空间维度数就会减少。
而在MIMO上行链路中,由于收发天线数目对比与下行相反,而无法应用上述方案。由于人工噪声信号和有用信号同时发送,如何调整两者之间最优的功率分配来增强系统的保密容量也成为研究热点之一。尽管发送人工噪声造成了功率浪费,但在一些对安全要求很高的场合(如军事通信)中,该方法还是可以考虑的。
3.2 阵列冗余法
虽然利用人工噪声与波束成形策略能够有效增强系统的安全性能,但是需要知道精确的窃听者和目的节点的CSI,将导致巨大的反馈开销及复杂度,而且当信道缓慢变化时, Eve可以通过CMA等盲均衡算法估计得到发射符号。
对此,Xiaohua.L提出了基于阵列冗余的随机加权传输方法,使各天线发射信号最后在期望用户接收点同相叠加,合法接收方可以直接进行最大似然解调。在Alice完全知道信道信息hAB的前提下在每次发射符号时随机选取w并使其满足wH hAB=|| hAB || (|| hAB || =(hABH hAB)1/2。若发送功率固定,对权系数进行归一化,Bob和Eve的接受信号为:
xBob(n)=x(n)■|| hAB || +vBob(n) (5)
yeve(n)=x(n)■wH || hAE || +vEve(n) (6)
由于基站在发射每个符号时都随机变换天线, 将会导致窃听者的信道随机快速变化, 导致窃听者无法通过盲均衡算法解调。仿真表明这种方法能够很好地完成无线安全传输的功能, 与经典的使用随机加权系数的方法相比, 阵列冗余方法具有功率利用率更高的特点,但这种方法实现前提是阵列冗余必须存在,这在具体的应用中受到了很大的限制。
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