《電子技術應用》
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基于分段導頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案
2017年電子技術應用第1期
卓國鋒1，杜圣東2，林勝斌3
1.成都職業(yè)技術學院 軟件學院，四川 成都610041； 2.西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都610031；3.重慶通信學院，重慶400000
摘要： 在一個三節(jié)點MIMO竊聽網(wǎng)絡中，針對竊聽方發(fā)送惡意導頻干擾，提出了一種基于分段導頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案。首先將導頻發(fā)送長度分為n段，合法接收方只選取其中的m段發(fā)送導頻信號。發(fā)送方利用n-m段接收信號獲取竊聽信道的近似估計，并用其消除m段信道估計中的竊聽信道部分。然后，發(fā)送方設計預編碼矩陣并同時發(fā)送信號和人工噪聲，實現(xiàn)信號的安全傳輸。仿真表明，當干擾功率為100 mW時，所提方案下的安全速率平均提高了1.34 bit/s/Hz。
中圖分類號： TP218
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.034
中文引用格式： 卓國鋒，杜圣東，林勝斌. 基于分段導頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案[J].電子技術應用，2017，43(1)：129-132.
英文引用格式： Zhuo Guofeng，Du Shengdong，Lin Shengbin. A physical layer security transmission scheme based on the fragmented pilot transmission and the artificial noise[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：129-132.
A physical layer security transmission scheme based on the fragmented pilot transmission and the artificial noise
Zhuo Guofeng1，Du Shengdong2，Lin Shengbin3
1.School of Software，Chengdu Polytechnic，Chengdu 610041，China； 2.School of Information Science and Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China； 3.Chongqing Communication Institute，Chongqing 400000，China
Abstract： In a three-node Multiple Input Multiple Output(MIMO) wire-tap network, this paper proposes a physical layer security transmission scheme based on the fragmented pilot transmission and the artificial noise according to the malicious pilot contamination. First, the pilot transmission length is divided into n segments，and the legitimate receiver only uses m segments of them to transmit the pilot. Then, the transmitter obtains the approximate estimation of the eavesdropping channel based on the n-m segments received signal and eliminates the eavesdropping channel part in the channel estimation results of the m segments received signal. Besides, the transmitter designs the precoding matrix and transmits both the signal and the artificial noise, realizing the secure transmission. Finally, the simulation results show the average security rate of the proposed scheme improves 1.34 bit/s/Hz when the jamming power is 100 mW.
Key words : pilot contamination；fragmented pilot transmission；artificial noise；secrecy rate

0 引言

    由于廣播傳輸特性，無線通信網(wǎng)絡容易受到竊聽、干擾、甚至攻擊而引發(fā)一系列安全問題。針對這些安全威脅，近年來提出的物理層安全方法從無線信道的本質和特點出發(fā)，利用編碼、調制等通信傳輸手段，研究有效的無線信號安全傳輸?shù)姆椒?sup>[1]，既保證了合法用戶的通信質量，又增加了竊聽者截獲信號與還原信息的難度。

針對傳統(tǒng)三節(jié)點竊聽場景，人工噪聲[2]是一種有效的物理層安全方法，它需要發(fā)送方通過信道估計獲取CSI，即在進行數(shù)據(jù)信號傳輸之前，合法接收方發(fā)送導頻信號，發(fā)送方根據(jù)接收的導頻信號進行信道估計。然而，在竊聽網(wǎng)絡中，被多次傳輸?shù)膶ьl很可能被竊聽方獲取，當合法接收方發(fā)送導頻信號時，與傳統(tǒng)竊聽方只竊聽[3]或發(fā)送噪聲干擾[4]不同，竊聽方也發(fā)射導頻信號，干擾發(fā)送方的信道估計。針對這種被稱為導頻干擾的安全問題，文獻[5]推導了存在小區(qū)間的同頻導頻干擾時的信道估計結果，同時給出了基于小區(qū)協(xié)作的優(yōu)化方案，但是竊聽方為了增強竊聽性能不可能協(xié)作發(fā)送方，所以該方案不適用于竊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(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案。首先將導頻發(fā)送長度平均分為n段，合法接收方每次選取其中的m段發(fā)送導頻信號，剩余的n-m段不發(fā)導頻信號。竊聽方為了實現(xiàn)導頻干擾，會在導頻發(fā)送階段一直發(fā)送導頻信號，那么發(fā)送方用n-m段導頻信號獲取竊聽信道的近似估計，并用其消除基于m段導頻信號的信道估計結果中的竊聽信道部分，從而降低導頻干擾的影響。最后發(fā)送方根據(jù)獲取的CSI設計合理的預編碼矩陣，同時發(fā)送信號和人工噪聲，提高了系統(tǒng)安全性能。理論分析和數(shù)值仿真表明所提方案下的安全速率大大提升。

1 系統(tǒng)模型和問題提出

    在一個三節(jié)點多天線復高斯網(wǎng)絡中，天線數(shù)分別是NA、NB和NE，如圖1所示。

tx6-t1.gif

    在信道估計階段，導頻信號可以表示為：

tx6-gs1-3.gif

    由此可知，發(fā)送方到合法接收方之間的信道估計結果主要是主信道HBA和竊聽信道HEA的線性相加，且加權系數(shù)與發(fā)送功率成正相關。該估計結果中的竊聽信道HEA部分使設計的預編碼矩陣有利于竊聽方，系統(tǒng)安全性能受到嚴重威脅。針對該安全問題，本文研究有效的物理層安全傳輸方案，從而降低導頻干擾的威脅，保證通信系統(tǒng)的安全性。

2 基于分段導頻發(fā)送和人工噪聲的安全傳輸方案

2.1 n-m段導頻信號的信道估計

    如圖2所示，首先將導頻發(fā)送長度Tp平均分為n段，每段長度為ΔT=Ti=Tp/n，i=1，…，n。在信道估計階段，合法接收方選取其中的m段發(fā)送導頻信號，剩余的n-m段不發(fā)導頻信號。假設合法用戶共享每次選取的m段導頻發(fā)送信息，竊聽方無法獲取該信息。于是竊聽方為了實現(xiàn)導頻干擾，會在信道估計階段一直發(fā)送導頻信號。發(fā)送方的n-m段接收信號可以表示為：

    tx6-gs4.gif

tx6-t2.gif

    由于發(fā)送方不知道竊聽方到達的功率，只知道接收信號的總功率，采用LS準則進行信道估計可得：

tx6-gs5.gif

2.2 m段導頻信號的信道估計

    在m段導頻發(fā)送區(qū)間里，合法接收方增大導頻發(fā)送功率，竊聽方還是發(fā)送導頻干擾，發(fā)送方進行第二次信道估計，易得：

tx6-gs6.gif

     tx6-gs7.gif

    通過兩次信道估計，在第一階段獲取竊聽信道的估計結果，并基于該結果消除第二次信道估計結果中的竊聽信道部分，雖然增加了信道估計的復雜度，但是大大降低了竊聽方導頻干擾的影響。由于兩次信道估計的過程都存在系統(tǒng)噪聲的干擾，最終的信道估計結果還存在較大的誤差。

2.3 基于人工噪聲的數(shù)據(jù)傳輸階段

    發(fā)送方通過信道估計獲取合法節(jié)點間的CSI，根據(jù)該CSI設計預編碼矩陣，然后在數(shù)據(jù)傳輸階段同時發(fā)送經過預編碼的信號和人工噪聲。xA是經過預編碼后的信號和噪聲，它可以表示為：

tx6-gs8.gif

    當竊聽方只竊聽時，合法接收方和竊聽方接收的信號分別為：

     tx6-gs9-10.gif

    基于分段導頻發(fā)送獲取的信道估計降低了導頻干擾的影響，在此基礎上的人工噪聲能較好地降低竊聽性能，提高系統(tǒng)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(fā)送Tp分為n段，選取其中的m段正常發(fā)送導頻信號，剩余的n-m段不發(fā)送。

    (2)發(fā)送方利用n-m段接收信號獲取竊聽信道的近似估計tx6-gs9-10-x1.gif用該結果消除m段信道估計tx6-gs9-10-x2.gif中的竊聽信道部分。

    (3)發(fā)送方根據(jù)獲取的信道狀態(tài)信息設計預編碼矩陣，并在信號傳輸階段同時發(fā)送信號和人工噪聲xA，最終保證了信號的安全性。

2.4 方案性能分析

    本節(jié)用安全速率[8]這個指標證明所提方案的有效性。

tx6-2.4-x1.gif

tx6-gs11-16.gif

其中，KB和KE為合法接收方和竊聽方的干擾噪聲協(xié)方差矩陣，可以表示為：

tx6-gs17-18.gif

3 數(shù)值仿真與安全性能分析

    下面用數(shù)值仿真分析所提方案的安全性能。此次仿真在一個1 km×1 km的區(qū)域中，發(fā)送方和合法接收方的位置坐標為(-250 m，0)和(250 m，0)，竊聽方的位置是(0，400 m)，參考距離d0=1 m，路徑衰減常數(shù)α=2，κ=1。令節(jié)點的天線數(shù)和功率分別為NA=7，NB=NE=4，PB=PE=100 mW，噪聲功率為-40 dBm。

    圖3分析了存在半雙工竊聽方時，系統(tǒng)安全速率隨合法接收方功率的變化。當發(fā)送方已知信道狀態(tài)信息，人工噪聲達到的性能最優(yōu)。當竊聽方發(fā)送導頻干擾時，信道估計結果是主信道和竊聽信道的線性疊加，合法接收方發(fā)送功率的增加增大了信道估計中主信道的加權系數(shù)，于是導頻干擾下的安全性能隨發(fā)送功率的增加而增加。本文所提方案用第一次信道估計結果補償?shù)诙涡诺拦烙?，從而使獲取的信道估計消除竊聽信道的影響，提高系統(tǒng)安全性能。由圖3可知，本文所提方案下的安全速率比存在導頻干擾時平均提高了1.34 bit/s/Hz，然而兩次信道估計都受系統(tǒng)噪聲的影響，使最終的估計結果和主信道有偏差，于是，該方案達到的性能比已知CSI場景下的性能要差。

tx6-t3.gif

    圖4研究了系統(tǒng)噪聲對所提方案性能的影響。噪聲功率從-70 dBm～-10 dBm變化時，安全速率都隨之降低，當?shù)竭_-20 dBm時，安全速率幾乎為零，這是因為在極惡劣的系統(tǒng)噪聲環(huán)境下，無法進行正常通信。隨噪聲功率的增大，本文方案和已知CSI的安全速率差值先增大后減小，這是因為從-70 dBm～-40 dBm的噪聲區(qū)間里，噪聲功率值較小，本文方案的誤差因噪聲功率較小而較小，達到的安全性能更好。當噪聲功率增大到破壞正常通信時，所有方案的性能度急劇惡化。

tx6-t4.gif

4 結論

    在一個三節(jié)點MIMO竊聽網(wǎng)絡中，當竊聽方在信道估計階段發(fā)送惡意導頻干擾，系統(tǒng)安全性能受到嚴重威脅。針對該安全問題，本文提出一種基于分段導頻發(fā)送和人工噪聲的物理層安全傳輸方案，首先將導頻發(fā)送長度平均分為n段，合法接收方每次選取其中的m段發(fā)送導頻信號，剩余的n-m段不發(fā)導頻信號。發(fā)送方用對應的n-m段接收信號獲取竊聽信道的近似估計，并用其消除基于m段導頻信號的信道估計結果中的竊聽信道部分，從而獲取準確的信道估計結果。然后發(fā)送方設計預編碼矩陣，并同時發(fā)送信號和人工噪聲，實現(xiàn)信號的安全傳輸。最后，通過理論分析證明所提方案的安全性。數(shù)值仿真表明當干擾功率為100 mW時，本文所提方案下的安全速率平均提高了1.34 bit/s/Hz。

參考文獻

[1] WYNER A D.The wire-tap channel[J].Bell System Technical Journal，1975，54(8)：1355-1387.

[2] LIN P H，LAI S H.On secrecy rate of the generalized artificial-noise assisted secure beamforming for wiretap channels[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2013，31(9)：1728-1740.

[3] Li Hao，Wang Xianbin.Dynamic subcarrier coordinate interleaving for eavesdropping prevention in OFDM systems[J].IEEE Communications Letters，2014，18(6)：1059-1062.

[4] PAIK H，SASTRY N N.Effectiveness of noise jamming with white Gaussian noise and phase noise in amplitude comparison monopulse radar receivers[C].IEEE International Conference on Electronics，Computing and Communication Technologies，2014：1-5.

[5] YUKSEL M，ERKIP E.Analysis and design of channel estimation multi-cell multi-user MIMO OFDM systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2014，13(20)：1-11.

[6] KAY S M.Fundamentals of statistical signal processing：Estimation theory[M].Prentice Hall，1993.

[7] MUKHERJEE A，SWINDLEHURST A L.Jamming games in the MIMO wiretap channel with an active eavesdropper[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2013，61(1)：82-91.

[8] YAN S H，GERACI G，YANG N，et al.On the target secrecy rate for SISOME wiretap channels[C].Proceedings of 2014 IEEE International Conference on Communications(ICC)，2014.

[9] GOEL S，NEGI R.Guaranteeing secrecy using artificial noise[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(6)：2180-2189.



作者信息:

卓國鋒1，杜圣東2，林勝斌3

(1.成都職業(yè)技術學院 軟件學院，四川 成都610041；

2.西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都610031；3.重慶通信學院，重慶400000）

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