《電子技術(shù)應(yīng)用》
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平面大規(guī)模天線(xiàn)陣列的竊聽(tīng)檢測(cè)方案
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
蘇曉鳳1，陳海華1，2
1.南開(kāi)大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津300350；2．天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350
摘要： 物理層安全機(jī)制可以為無(wú)線(xiàn)通信提供有效的保密機(jī)制，為后期保密通信降低系統(tǒng)復(fù)雜度。提出了一種基于大規(guī)模平面天線(xiàn)陣列的物理層安全機(jī)制，即主動(dòng)竊聽(tīng)的檢測(cè)方案。該方案針對(duì)時(shí)分雙工模式下的萊斯信道模型，僅在假設(shè)合法用戶(hù)萊斯因子和基站噪聲功率已知的情況下，即可有效檢測(cè)竊聽(tīng)用戶(hù)。仿真結(jié)果表明，所提出的檢測(cè)方案性能隨著天線(xiàn)個(gè)數(shù)、萊斯因子的增加而提高。此外，該方案的性能不隨用戶(hù)的位置而改變，可在三維空間全方位地檢測(cè)竊聽(tīng)。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173022
中文引用格式： 蘇曉鳳，陳海華. 平面大規(guī)模天線(xiàn)陣列的竊聽(tīng)檢測(cè)方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(3)：81-83，88.
英文引用格式： Su Xiaofeng，Chen Haihua. Detection of active eavesdropper in large scale planar arrays[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(3)：81-83，88.
Detection of active eavesdropper in large scale planar arrays
Su Xiaofeng1，Chen Haihua1，2
1.College of Electronic Information and Optical Engineering，Nankai University，Tianjin 300350，China； 2. Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology，Tianjin 300350，China
Abstract： Physical layer security(PLS) is efficient in providing security for wireless communications and in relaxing the complexity of the required cryptographic technologies. A PLS method, i.e. detection of active eavesdropper, using large scale planar arrays is proposed in this paper. The system is assumed to be time division duplex and the channels are of Rician distribution. The proposed method can effectively detect the active eavesdropper by assuming that the K-factor of the channel and the noise variance of the base station are known. Simulation results show that the performance of the proposed method is improved as the number of the antennas or the value of the K-factor is increasing. In addition, the performance of the proposed method is independent of the angle of the users.
Key words : physical layer security；detection of eavesdropping；Massive MIMO；scaled chi-square distribution；scaled noncentral chi-squared distribution

0 引言

    隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高。大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)(Large Scale Antenna System，或者稱(chēng)為Massive MIMO)[1]由于諸多性能優(yōu)勢(shì)，例如信道更加穩(wěn)定、信道有更好的可預(yù)測(cè)性、基站與用戶(hù)間的信道更趨于正交化、天線(xiàn)增益隨天線(xiàn)數(shù)目的增長(zhǎng)而線(xiàn)性增長(zhǎng)等[2]，在近年來(lái)引起了人們廣泛的興趣，Massive MIMO已成為5G通信的關(guān)鍵候選技術(shù)之一[3]。Massive MIMO是指基站配備上百根甚至更多天線(xiàn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于天線(xiàn)個(gè)數(shù)眾多，在物理層安全方面的也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，即大規(guī)模天線(xiàn)陣列能有效對(duì)抗被動(dòng)竊聽(tīng)。物理層安全可以為無(wú)線(xiàn)通信提供有效的保密機(jī)制，可減輕后期保密協(xié)議的復(fù)雜度，并對(duì)其性能做有效彌補(bǔ)。所謂的被動(dòng)竊聽(tīng)，就是竊聽(tīng)者在竊聽(tīng)過(guò)程中只偵聽(tīng)合法用戶(hù)的傳輸信息，而不采取主動(dòng)干擾。在Massive MIMO中存在被動(dòng)竊聽(tīng)時(shí)，系統(tǒng)的保密信道容量仍會(huì)隨著天線(xiàn)數(shù)量的增加而增加，即Massive MIMO不會(huì)受到被動(dòng)竊聽(tīng)的影響[1]。在Massive MIMO中竊聽(tīng)者要實(shí)現(xiàn)竊聽(tīng)目的，必須由被動(dòng)轉(zhuǎn)換到主動(dòng)竊聽(tīng)模式以攻擊大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)[4]。所謂主動(dòng)竊聽(tīng)，就是竊聽(tīng)者在竊聽(tīng)過(guò)程中為了提高竊聽(tīng)性能而采取主動(dòng)干擾。而在時(shí)分雙工(Time Division Duplex，TDD)模式下工作的大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的弱點(diǎn)是信道估計(jì)階段，主動(dòng)竊聽(tīng)可以利用系統(tǒng)的此弱點(diǎn)在信道估計(jì)階段發(fā)送與合法用戶(hù)相同的導(dǎo)頻序列，使基站無(wú)法準(zhǔn)確地區(qū)別合法用戶(hù)與竊聽(tīng)用戶(hù)，基站將會(huì)把要發(fā)送給合法用戶(hù)的信息也同時(shí)發(fā)送給竊聽(tīng)用戶(hù)。如今的通信不再只是電話(huà)或者收發(fā)消息類(lèi)通信，支付寶、微信支付等一系列網(wǎng)上支付已成為日常支付工具，確保無(wú)線(xiàn)通信安全顯得越來(lái)越重要。Massive MIMO中有效地檢測(cè)主動(dòng)竊聽(tīng)是目前有待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]給出了導(dǎo)頻序列的研究，但未討論大規(guī)模天線(xiàn)陣列的情況，也未給出檢測(cè)竊聽(tīng)方案。文獻(xiàn)[6]給出了基于導(dǎo)頻序列檢測(cè)主動(dòng)竊聽(tīng)方案，但是該方案需要特定的導(dǎo)頻序列才能檢測(cè)。

    為了解決上述問(wèn)題，本文提出了大規(guī)模天線(xiàn)陣列中檢測(cè)主動(dòng)竊聽(tīng)的具體方案。該方案考慮萊斯信道下工作在TDD模式下的大規(guī)模平面天線(xiàn)陣列。本文提出的竊聽(tīng)檢測(cè)方案無(wú)需設(shè)計(jì)特定導(dǎo)頻，只需知道合法用戶(hù)萊斯因子及基站接收噪聲功率，即可根據(jù)在基站處接收到的信號(hào)，構(gòu)建判決對(duì)象，設(shè)定判定值，檢測(cè)竊聽(tīng)是否存在。仿真結(jié)果顯示，該檢測(cè)方案性能不受竊聽(tīng)用戶(hù)位置改變的影響，且系統(tǒng)的檢測(cè)性能隨著天線(xiàn)數(shù)量的增加而提高。

1 系統(tǒng)模型

    本文所研究的系統(tǒng)模型如圖1所示，其中基站(Base Station，BS)和合法用戶(hù)(Legitimate User，LU)工作在TDD模式下。假設(shè)該系統(tǒng)中存在竊聽(tīng)用戶(hù)(Eavesdropper，ED)?；静捎肕×N的均勻平面天線(xiàn)陣列，合法用戶(hù)和竊聽(tīng)用戶(hù)分別配備單個(gè)天線(xiàn)。另外，本文研究的系統(tǒng)處于萊斯信道中，分別用hLU和hED表示基站與合法用戶(hù)、竊聽(tīng)用戶(hù)之間的信道。上述信道可表示為[7]：

    tx1-gs1-2.gif

tx1-t1.gif

其中，KLU和KED是萊斯信道K因子，即主信號(hào)的功率與多徑分量的方差之比[8]；hUM與hEM分別代表基站與合法用戶(hù)、竊聽(tīng)用戶(hù)之間萊斯信道的確定性分量；而hUR和hER則代表相應(yīng)的隨機(jī)分量，兩者皆服從均值為0、協(xié)方差矩陣為I的復(fù)高斯分布，即hi～CN(0，I)，i=UR，ER，且不同用戶(hù)的隨機(jī)分量彼此獨(dú)立。本文中基站采用均勻矩形天線(xiàn)陣列，其萊斯信道的確定性分量hUM和hEM可分別表示為[9]：

tx1-gs3-6.gif

    式(5)和式(6)中假設(shè)天線(xiàn)的行、列間距均為載波波長(zhǎng)的一半。

    在TDD通信模式中，基站為了實(shí)現(xiàn)與合法用戶(hù)間的相干下行傳輸，需要通過(guò)訓(xùn)練序列對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)。在訓(xùn)練階段，合法用戶(hù)向基站發(fā)送一系列的導(dǎo)頻信號(hào)用于信道估計(jì)。設(shè)合法用戶(hù)的發(fā)射功率為pLU，當(dāng)無(wú)主動(dòng)竊聽(tīng)用戶(hù)時(shí)，基站收到的信號(hào)可表示為：

tx1-gs7-10.gif

2 檢測(cè)方案

    根據(jù)式(9)和式(10)可知，基站接收到的信號(hào)在竊聽(tīng)用戶(hù)存在和不存在時(shí)具有明顯的差異，因而本文據(jù)此提出一種竊聽(tīng)用戶(hù)的檢測(cè)方案，該方案假設(shè)合法用戶(hù)的萊斯系數(shù)KLU和基站噪聲功率NBS可以由參數(shù)估計(jì)得到，且該檢測(cè)由基站完成。在檢測(cè)中，設(shè)pLU=1，pED=1，基站由接收到的信號(hào)r構(gòu)建檢測(cè)對(duì)象：

tx1-gs11-12.gif

    因此，μ的設(shè)定應(yīng)稍大于1，μ值的設(shè)定將會(huì)直接影響到檢測(cè)效果。

    由式(8)和(11)可以看出，當(dāng)不存在主動(dòng)竊聽(tīng)用戶(hù)時(shí)，t是服從自由度為2MN的縮比卡方分布，即：

tx1-gs13-15.gif

    如圖2所示，第一個(gè)仿真例子驗(yàn)證了萊斯因子K對(duì)ROC曲線(xiàn)的影響。在本例中，KLU=KED=-20 dB、-10 dB、0 dB和10 dB。從圖中可以看出，竊聽(tīng)用戶(hù)檢測(cè)性能隨著K值的增加而提高，即本文提出的檢測(cè)方法在確定性分量占信道系數(shù)比重較高時(shí)，性能較好。

tx1-t2.gif

    第二個(gè)例子是驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)性能受天線(xiàn)個(gè)數(shù)的影響情況。圖3顯示了天線(xiàn)個(gè)數(shù)為100、200、500和900的ROC曲線(xiàn)。從圖中可以看出，系統(tǒng)的檢測(cè)性能隨著天線(xiàn)個(gè)數(shù)的增加顯著提高，因而大規(guī)模天線(xiàn)陣列有助于提高系統(tǒng)性能。

tx1-t3.gif

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4 結(jié)論

    本文針對(duì)萊斯信道中時(shí)分雙工系統(tǒng)提出了一種檢測(cè)主動(dòng)竊聽(tīng)用戶(hù)的方法。該系統(tǒng)基站配備大規(guī)模平面矩形陣列天線(xiàn)，合法用戶(hù)和竊聽(tīng)用戶(hù)分別配備一個(gè)天線(xiàn)。本文首先將二維信道模型轉(zhuǎn)換為一維向量模型，從而簡(jiǎn)化了萊斯信道下的平面天線(xiàn)陣列問(wèn)題。其次，根據(jù)基站接收的信號(hào)特點(diǎn)，構(gòu)建了檢測(cè)對(duì)象。該檢測(cè)對(duì)象在無(wú)主動(dòng)竊聽(tīng)用戶(hù)時(shí)服從縮比卡方分布，而在有主動(dòng)竊聽(tīng)用戶(hù)時(shí)服從非中心縮比卡方分布，因而可以得出誤判概率及檢測(cè)概率的閉式表達(dá)式。由誤判及檢測(cè)概率表達(dá)式可知，該方案只需估計(jì)萊斯信道因子和基站噪聲功率，且兩者均不依賴(lài)于用戶(hù)所處的空間方位，因而該方法可有效檢測(cè)三維空間的所有竊聽(tīng)用戶(hù)。仿真結(jié)果表明，本文提出的竊聽(tīng)檢測(cè)方案性能隨著天線(xiàn)的數(shù)量和萊斯因子的增加而提高，因而適用于大規(guī)模天線(xiàn)陣列。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

蘇曉鳳1，陳海華1，2

（1.南開(kāi)大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津300350；2．天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350）

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