一種提高多用戶MIMO廣播信道安全性能的方案*

宋歡歡,唐 杰,文 紅,向 達(dá),廖潤(rùn)發(fā)(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都611731)

一種提高多用戶MIMO廣播信道安全性能的方案*

宋歡歡,唐 杰,文 紅,向 達(dá),廖潤(rùn)發(fā)
(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都611731)

無(wú)線通信的廣播特性使得信息容易被非法用戶竊聽(tīng),研究多天線抗竊聽(tīng)技術(shù)非常重要。多用戶MIMO(MU-MIMO)系統(tǒng)采用塊對(duì)角化(BD)預(yù)編碼,可以實(shí)現(xiàn)下行鏈路小區(qū)用戶之間的防竊聽(tīng),但是不屬于下行鏈路小區(qū)用戶的惡意竊聽(tīng)者截獲到用戶的信道信息時(shí),則很容易竊聽(tīng)到發(fā)送給用戶的信息。文中通過(guò)改進(jìn)物理層技術(shù)保證信息數(shù)據(jù)安全保密的傳輸,仿真驗(yàn)證該方案具有很好的抗竊聽(tīng)性能。

多用戶MIMO 塊對(duì)角化預(yù)編碼 竊聽(tīng)者

0 引 言

下行鏈路系統(tǒng)中,基站向多個(gè)移動(dòng)臺(tái)(用戶)同時(shí)發(fā)射信號(hào),此時(shí)用戶不僅要接收基站發(fā)送給自己的信號(hào),還要接收發(fā)送給其他用戶的干擾信號(hào)。文獻(xiàn)[1-2]已經(jīng)證明了廣播通信不采取任何保密措施的情況下,用戶可以很容易竊聽(tīng)到發(fā)送給小區(qū)其他用戶的信息,造成嚴(yán)重的信息泄露事故,所以在下行鏈路系統(tǒng)中,基站需要對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理[3-7],使用戶接收到各自無(wú)干擾信息。塊對(duì)角化預(yù)編碼是一種可用在下行多用戶鏈路中的線性預(yù)編碼技術(shù),其主要思想是將每個(gè)用戶的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)在其他用戶信道零空間里,這樣就能把復(fù)雜的多用戶信道分解成多個(gè)并行的、彼此無(wú)干擾的單用戶信道,每個(gè)等效的單用戶MIMO信道具有傳統(tǒng)單用戶MIMO信道特性。文獻(xiàn)[7]論述了多用戶通信系統(tǒng)利用塊對(duì)角化(BD)預(yù)編碼,可以使下行鏈路中小區(qū)用戶彼此抗竊聽(tīng),且竊聽(tīng)方誤碼率能夠達(dá)到0.5。文獻(xiàn)[8]針對(duì)空時(shí)分組碼提出一種在偽隨機(jī)序列控制下通過(guò)扭曲編碼矩陣來(lái)誤導(dǎo)竊聽(tīng)者實(shí)現(xiàn)跨層安全的設(shè)計(jì)方案。本文針對(duì)小區(qū)用戶之外的惡意竊聽(tīng)者,提出一種通過(guò)翻轉(zhuǎn)預(yù)編碼矩陣的跨層安全方案,有效防止用戶信息被惡意竊取。

1 塊對(duì)角化預(yù)編碼系統(tǒng)模型

塊對(duì)角化(BD)預(yù)編碼是一種次最優(yōu),但是更實(shí)用的下行多用戶MIMO信道的預(yù)編碼技術(shù)。圖1為多用戶預(yù)編碼系統(tǒng)模型圖。

圖1 多用戶MIMO系統(tǒng)模型Fig.1 Model diagram ofmulti-user MIMO system

該小區(qū)共有K個(gè)用戶,每個(gè)用戶有Ni(i=1,2,…,K)根接收天線,b(i)(i=1,2,…,K)表示給用戶i發(fā)送的Li×1維的數(shù)據(jù)符號(hào)。為了防止信道空間里用戶信號(hào)相互干擾,b(i)在發(fā)射前需要通過(guò)一個(gè)M× Li維預(yù)編碼矩陣T(i)模塊,將Li個(gè)并行符號(hào)映射到基站的M根發(fā)射天線同時(shí)發(fā)射出去。H(i)(i=1,2,…,K)表示用戶i與基站間的Ni×M維瑞利衰落信道矩陣。用戶i接收到信號(hào):

式中,n(i)為復(fù)加性高斯白噪聲。用戶i接收到的數(shù)據(jù)中既包含自己有用的數(shù)據(jù)也包含其他K-1個(gè)用戶的干擾數(shù)據(jù)。

為了消除其他用戶數(shù)據(jù)的干擾,需滿足下面條件:

式中,T(j)為非零矩陣,否則用戶j沒(méi)有數(shù)據(jù)輸入, b(j)為隨機(jī)輸入數(shù)據(jù)。所以上式可進(jìn)一步化簡(jiǎn)成:

塊對(duì)角化預(yù)編碼就是將每個(gè)用戶的預(yù)編碼矩陣設(shè)計(jì)在其他用戶信道零空間里,防止用戶間信息相互干擾。t(nj)是T(j)的第n列,因?yàn)镠(i)T(j)=0,所以t(nj)在信道H(i)的零空間里:

式中,ker(·)表示矩陣的零空間或矩陣的核,疑為求子空間的交集。

非零預(yù)編碼存在的充分條件為發(fā)射天線數(shù)大于任意K-1個(gè)用戶天線總數(shù)的最大值即:

式中,A(j)是一個(gè)非零nj×Lj矩陣,本文采用VBLAST系統(tǒng),故A(j)為單位矩陣。V(j)是正交的,可以由等效信道矩陣的右奇異向量構(gòu)成:

將式(2)和式(7)帶入式(1)得:

式中,S為M-PSK調(diào)制信號(hào)集合。

塊對(duì)角化預(yù)編碼將多用戶信道分解為K條獨(dú)立單用戶信道,如圖2所示。文獻(xiàn)[7]討論小區(qū)用戶間干擾:塊對(duì)角化預(yù)編碼使H(i)V(j)(i屹j,i=1,2,…,K,j=1,2,…,K)很小,如果用戶知道彼此預(yù)編碼矩陣,不可能竊聽(tīng)到對(duì)方信息。在天線系統(tǒng)配置很小時(shí),用戶竊聽(tīng)其他用戶信息誤碼率達(dá)到0.5。天線配置更大時(shí),系統(tǒng)變得相當(dāng)復(fù)雜,用戶知道彼此的預(yù)編碼矩陣也很難竊聽(tīng)信息,很好地防止用戶間信息干擾與竊聽(tīng)。

圖2 BD預(yù)編碼將多用戶信道分解成k個(gè)單用戶信道Fig.2 Multi-user channel is decomposed into k single-user channels based on BD precoding

2 跨層抗竊聽(tīng)模型

假設(shè)基站有M根發(fā)射天線,小區(qū)有K個(gè)用戶,每個(gè)用戶有Ni(i=1,2,…,K)根接收天線,其系統(tǒng)模型如圖3所示。塊對(duì)角化預(yù)編碼可以使小區(qū)用戶彼此保密通信,但系統(tǒng)外的惡意竊聽(tīng)者隱藏在用戶附近通過(guò)截獲小區(qū)信道信息,很容易竊聽(tīng)到發(fā)送給用戶的信息。圖3中attacker i(i=1,2,…,K)竊聽(tīng)用戶i的信息。如果系統(tǒng)不采取措施,竊聽(tīng)者i截獲到信道信息后,很容易由式(9)求出預(yù)編碼矩陣V(i),最后通過(guò)最大似然譯碼算法譯出用戶i信息:

本文提出一種跨層安全方案,用于對(duì)抗惡意竊聽(tīng)者,利用基站與每個(gè)用戶之間共享的偽隨機(jī)序列作為控制序列,控制每個(gè)用戶的預(yù)編碼矩陣形式。

圖3 有竊聽(tīng)者的多用戶MIMO系統(tǒng)模型Fig.3 Multi-user MIMO system model of eavesdroppers

定義控制序列:

合法用戶知道控制序列,接收時(shí)首先檢測(cè)控制序列。

當(dāng)檢測(cè)到控制序列qn=0時(shí):

1)用戶i接收信號(hào)為(10)。

2)用戶知道n時(shí)刻預(yù)編碼矩陣沒(méi)翻轉(zhuǎn),完全恢復(fù)信道信息后將按照過(guò)程(9)到(11)檢測(cè)譯碼。

當(dāng)檢測(cè)到控制序列qn=1時(shí),其譯碼過(guò)程如下: 1)用戶接收真實(shí)信號(hào)為式(16)。

2)用戶按照式(9)計(jì)算出預(yù)編碼矩陣,并將該預(yù)編碼矩陣翻轉(zhuǎn)180毅得到(15)。

3)利用最大似然譯碼算法譯碼:

通過(guò)上述檢測(cè)方法,合法用戶能夠正確譯碼。

偽隨機(jī)序列出現(xiàn)“0”、“1”的概率為0.5,竊聽(tīng)者按照控制序列全“0”、全“1”或隨機(jī)猜測(cè)控制序列值的方式,都有一半的可能性猜錯(cuò)控制序列值。這三種檢測(cè)方法很相似,我們下面主要討論竊聽(tīng)者i完全按照控制序列全“0”接收檢測(cè)。

若秘密控制序列值qn=0,竊聽(tīng)者猜測(cè)控制序列值正確,按照過(guò)程(9)到(11)檢測(cè)譯碼,得到用戶i的信息。

若秘密控制序列值qn=1,竊聽(tīng)者猜測(cè)控制序列值錯(cuò)誤,竊聽(tīng)者接收過(guò)程如下:

1)接收真實(shí)信號(hào)(16)。

2)竊聽(tīng)者誤認(rèn)為用戶預(yù)編碼矩陣為(14)。

3)最大似然譯碼得到信號(hào):

猜錯(cuò)控制序列將導(dǎo)致竊聽(tīng)者判決出的發(fā)射信號(hào)是原來(lái)發(fā)射信號(hào)星座點(diǎn)翻轉(zhuǎn)180毅后的值,信號(hào)完全錯(cuò)誤,M-PSK調(diào)制時(shí)使用該方案性能最差。

3 性能仿真

按照文獻(xiàn)[7]中的天線配置情況,基站有2根發(fā)射天線,小區(qū)有2個(gè)用戶,每個(gè)用戶用1根天線接收信號(hào)。小區(qū)用戶在配置相同的情況下,接收性能很接近,V-BLAST系統(tǒng)性能如圖4所示。塊對(duì)角化預(yù)編碼可以防止用戶間信息泄露,2個(gè)用戶竊聽(tīng)對(duì)方信息性能如圖5所示,可以看出竊聽(tīng)誤比特率達(dá)到0.5,有效防止用戶間信息泄露。

圖4 小區(qū)有兩個(gè)用戶性能仿真Fig.4 Performance simulation map of two users in the cell

假設(shè)基站有6根發(fā)射天線,小區(qū)有3個(gè)用戶,每個(gè)用戶用2根天線接收信號(hào)。系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制方式,基站為每個(gè)用戶發(fā)射104 000個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。系統(tǒng)為每個(gè)用戶傳輸26個(gè)調(diào)制符號(hào)過(guò)程中,信道信息不變。3個(gè)用戶接收情況相同,故它們性能很接近如圖6所示。系統(tǒng)使用跨層安全方案,惡意竊聽(tīng)者分別竊聽(tīng)這3個(gè)用戶信息時(shí),竊聽(tīng)者性能如圖7所示。每個(gè)竊聽(tīng)者誤比特率都在0.5左右,有效防止信息被惡意竊聽(tīng)的危險(xiǎn)。

圖5 小區(qū)兩個(gè)用戶彼此竊聽(tīng)對(duì)方消息性能Fig.5 Simulation chart of two users in the cell eavesdropping each other

圖6 小區(qū)有三個(gè)用戶性能仿真Fig.6 Performance simulationmap of three users in the cell

圖7 惡意竊聽(tīng)者與合法用戶的性能仿真Fig.7 Performance simulation map of between malicious eavesdropper and legitimate user

4 結(jié) 語(yǔ)

基于塊對(duì)角化預(yù)編碼算法的系統(tǒng),可以防止用戶間信息的干擾,彌補(bǔ)了廣播信道的不足。我們?cè)谠撓到y(tǒng)中加入跨層技術(shù),用來(lái)防止系統(tǒng)外的惡意竊聽(tīng)者竊取用戶信息,保證通信系統(tǒng)更加安全可靠的傳輸。

[1] RUOHENG LIU,POOR,H.V.Muti-antenna Gaussian broadcast channels with confidentialmessages[J].IEEE Transactions on Information Theory,2008:2202-2206.

[2] A.D.Wyner.Thewire-tap channel[J].Bell Syst.Tech. J.,1975,54(8):135-138.

[3] JOHAM,M.,Utschick,W.and Nossek J.A.Linear transmit processing in MIMO communications systems [J].IEEE Trans.Signal Processing,2005,53(8): 2700-2712.

[4] G.FOSCHINI.Layered space-time architecture for wireless communication in a fading environment when using multi-element antennas[J].Bell Labs Technical Journal,1996,1(2):41-59.

[5] LAI-U CHOI,ROSSD.Murch.A transmit preprocessing technique formultiuser MIMO systems using a decomposition approach[J].IEEE Transactions on Information Theory,2004,3(1):20-24.

[6] SPENCER,Q.H.Zero-forcingmethods for downlink spatialmultiplexing inmultiuser-MIMO channels[J].IEEE Trans.Signal Processing,2004,54(2):461-471.

[7] 呂世超,文紅,韓祺祎.多天線廣播信道模型安全性分析[J].信息安全與通信保密,2011(08):50-54. LV Shi-chao,WEN hong,HAN Qi-yi.Security Analysis of Multi-antenna Broadcast Channel Model based on Block Diagnolization Precoding[J].Information security and communication security,2011(8):50-54.

[8] WEN Hong,GONG Guang and HO Pin-Han.MIMO Cross-Layer Secure Communication Architecture Based on STBC[J].IEEE J.Global Telecommunications Conference.2010:1-5.

SONG Huan-huan(1987-),female,graduate student,mainly engaged in cross-layer security of future wireless communication.

文 紅(1969—),女,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與通信安全;

WEN Hong(1969-),female,professor and doctoral tutor, mainly engaged in wireless communication system and communication security.

唐 杰(1987—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ虐踩c保密;

TANG Jie(1987-),male,graduate student,mainly engaged in communication security and secrecy.

向 達(dá)(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)?G通信系統(tǒng)物理層安全技術(shù)研究;

XIANG Da(1990-),male,graduate student,mainly engaged in physical-layer security of 5G communication system.

廖潤(rùn)發(fā)(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ虐踩c保密。

LIAO Run-fa(1989-),male,graduate student,mainly engaged in communication security and secrecy.

A Scheme for Im proving Security Performance of M ulti-user M IMO Broadcast Channel

SONG Huan-huan,TANG Jie,WEN Hong,XIANG Da,LIAO Run-fa
(State Key Laboratory of Science and Technology on Communications,UESTC,Chengdu Sichuan 611731,China)

Broadcasting nature of wireless communication makes the communication information easily eavesdropped by illegal user,thus it is of great significance to develop multi-antenna anti-hacking technology.By using BD(Block Diagonalization)precoding,MU-MIMO system can achieve anti-eavesdropping of among the downlink cell users.However,themalicious eavesdropper not belonging to the downlink cell users could eavesdrop the users'channel information,and thiswould result in easy wiretap of communication information.By combining encryption technology with physical layer technology,the secure transmission of information data is ensured.And simulation shows that the proposed scheme can achieve fairly good anti-hacking performance.

multi-user MIMO;block diagonalization precoding;eavesdropper

national natural science fund project(No.61032003,No.61032003),the specialized research fund for the doctoral program of higher education(No.20120185110030,No.20120185110030),international cooperation research projects in sichuan province(No.2013 HH0005)and theministry of education for returned fund jointly funded research started.

date：2014-09-15;Revised date：2014-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61032003,No.61271172)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(No.20120185110030, No.20130185130002)、四川省國(guó)際合作研究項(xiàng)目(No.2013HH0005)和國(guó)家教育部回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金聯(lián)合資助

TN929.5

A

1002-0802(2015)02-0135-05

宋歡歡(1987—),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲磥?lái)無(wú)線通信中的跨層安全研究;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.004

2014-09-15;

2014-01-15