一種改進型的多天線加權跳空保密通信技術

朱 磊，徐家品

一種改進型的多天線加權跳空保密通信技術

朱 磊，徐家品

（四川大學電子信息學院，四川成都6110065）

多天線陣列隨機加權方法和人工噪聲方法可以在物理層保障無線通信的安全。但是，當竊聽者天線數大于等于發送者時，竊聽者就有可能通過Music-like竊取信號。針對此問題，提出了一種改進的多天線陣列加權方法。該方法是通過陣列加權方法和跳空技術相結合，接收者根據生成的跳空圖案選擇相應信道接收解調，而竊聽者沒有跳空圖案所以不能解調出信號，即使竊聽者知道跳空圖案，但他不能消除零空間內的人工噪聲，竊聽者仍然沒有辦法得到正確的發送信息。仿真結果顯示，該方法是一種有效的物理層保密通信方法。

物理層安全；跳空圖案；陣列；加權

引用格式：朱 磊，徐家品.一種改進型的多天線加權跳空保密通信技術［J］.無線電工程，2016，46（5）：80-84.

0 引言

在現在的社會中，無線通信在人們的交往、生活、學習以及軍事等各方面得到了越來越廣泛的應用。非法竊聽者竊聽和無線信道的開放性使得信息安全問題更加突出，如果能夠完全了解到無線通信系統中的無線信道的特性，就可以通過利用無線信道的空域特征實現物理層安全傳輸的方法來保證無線通信的安全。

文獻［1-2］描述了無線通信系統中無線信道的開放性帶來的信息安全問題的嚴重性。文獻［3］證明了可以在無線信道中實現物理層的保密通信。文獻［4］指出當主信道的噪聲干擾大于竊聽信道的噪聲干擾時，不可能實現保密通信。文獻［5］提出一種在竊聽信道加入人工噪聲來破壞竊聽者對傳輸信號的竊聽，也指人工噪聲維度小于竊聽者天線數時可以通過MUSIC-like估計出保密信號。文獻［6-7］則提出了多天線隨機加權發射信號，造成星座圖在竊聽者處隨機快速變化從而無法解調，獲得低截獲率。文獻［8］指出人工噪聲方法和天線陣列隨機加權方法的本質是一樣的，提出了MUSIC-like竊聽算法。文獻［3］指出通過隨機選擇發送天線的物理層安全方法可保證發送信道快變，使竊聽者無法估計出保密信號。文獻［6-7］提出了一種基于陣列冗余進行物理層安全傳輸的方法。文獻［7］提出了一種在MISO信道條件下的天線陣列隨機加權的權值的設計方法。文獻［9］改進了隨機天線陣列的權系數的設計方法，提高了期望用戶的功率利用率。

所以，為了更好地解決這一個問題，本文將提出一種改進型的多天線陣列加權跳空安全方法，就是把多天線陣列加權法和人工噪聲方法以及跳空技術相結合起來。通過這種方法可以實現合法地準確接收保密信號，并且可以抑制竊聽者對保密信號的竊聽。

1 系統模型

文中涉及到的保密通信系統模型如圖1所示。發送端的用戶Alice向合法的接收用戶Bob發送保密信號，保密通信在傳輸過程中被非法的竊聽用戶Eve所截獲。Alice使用了Na根天線，Bob使用了Nb根天線，非法竊聽者Eve使用了Ne根天線。

圖1　保密通信系統模型

假設文中涉及到的信道全是平坦衰落瑞利信道。Alice到Bob的信道hAB可以表示成Nb×Na維的向量：

Alice到Eve之間的信道hAE可以表示成Ne×Na維的向量：

式中，h為傳輸保密信息時的信道增益，保密信息是經過Alice的第j根天線發射，Bob的第i根天線接收。假設不同的信道時相互獨立的，而且服從零均值得復高斯分布。

2 問題分析

人工噪聲是根據發送用戶的多天線冗余在Alice到Bob的合法信道hab的零空間里加入人工噪聲。Alice向Bob發送保密信息則是在hab方向上傳輸。由于人工噪聲是在hab的零空間上，則有hab和人工噪聲向量是正交的，所以在接收者Bob處是可以消除人工噪聲的，人工噪聲是不影響Bob接收保密信號的。但是，由于hae和hab是不可能在同一個方向上的，因此hae是不可能和人工噪聲相正交的，所以Eve截獲保密信息時是肯定要受到人工噪聲的影響的，這就降低了竊聽者Eve的信噪比，從而實現了無線保密通信的低截獲率。

假設b（n）為Alice要發送的保密信號，z（n）是hab零空間上的人工噪聲，則發送信號為：

那么Bob和Eve接收到的信號分別是：

式中，nB和nE分別是合法接收者和竊聽者的空間白噪聲。

天線陣列隨機加權方法如圖2所示

圖2　天線陣列隨機加權方法

假設發送者和接收者都是多天線的，則有天線隨機加權方法的隨機加權向量：

合法接收者和非法竊聽者的信道分別為：

則有發送端的發送信號為：

經過加權處理傳輸以后，合法接收者Bob接收到的信號為：

非法竊聽者Eve所接收到的信號為：

式中，nB和nE分別為合法信道和竊聽信道中的高斯白噪聲。

文獻［9］提出了一種權值設計的方法，這種設計方法是在滿足

的條件下設計的，其設計流程為：

①從合法信道hAB中隨機地選擇一個信道的參數hi；

②然后隨機產生wk（n），1≤k≤Na，且k≠i；

③最后根據式（13）生成天線陣列隨機加權向量W（n），

那么，合法接收者接收的信號為：

而非法竊聽者接收的信號還是式（11）。

天線隨機加權向量w（n）隨機變化，非法竊聽者不能從式（11）中估計出Alice所傳輸的保密信息。但是，零空間人工噪聲法和天線陣列隨機加權法的本質相同，均是在合法接收信道方向上發送保密信息。當竊聽者Eve的天線數大于合法接收者Bob的天線數時，MUSIC-like盲估計方法［10］可以實現對人工噪聲的干擾抑制，此時現有的零空間人工噪聲方法不能實現低截獲概率。所以，針對這一問題，提出了一種改進的多天線陣列隨機加權方法。

3 改進的多天線陣列隨機加權方法

系統在傳輸信息之前，合法接收者Bob會向發送者Alice發送一個訓練序列，Alice通過訓練序列估計出他們之間的信道hBA，由文獻［11］證明了無線安全傳輸模型信道的互異性，那么Alice可以知道hAB=hBA。然后Alice將信道信息回傳給Bob。本文將信道估計看作是沒有誤差或者誤差足夠小。

本文所提出的方法不僅是把人工噪聲方法、天線陣列加權法以及跳空技術結合起來，還優化了加權權值的設計方法，傳輸模型如圖3所示。

圖3　無線信道安全傳輸模型

本文提出的方法步驟如下：

①Alice和Bob在發送信息之前要預先約定好跳空圖案，跳空圖案可以由m序列控制也可以在n時刻隨機生成一個0-1矩陣u（n），每一時刻的u（n）都是一個 1×Nb的一個向量。每一時刻的u（n）至少有一個為1，其他全部為0。

②有了跳空圖案u（n）之后，可以得到第n時刻的跳空圖樣u（n），可以選擇得到傳輸信號所要用到的信道h（n），且有

③在發射信號加入人工噪聲，并且用波速形成的方式發送給合法接收者Bob，發送信號為：

式中，z（n）是h（n）零空間里的人工噪聲，且滿足hABz（n）=0。

④合法接收者接收到的信號為：

然后Bob將根據知道的跳空圖案來解調出信號，即有

式中，nb（n）=u（n）nB（n）是零均值得高斯白噪聲，方差為σ2b。

⑤可以得到保密信號為：

4 仿真結果分析

下面通過仿真實驗驗證多天線跳空技術在理想狀態下和非理想狀態下保密通信的可行性和安全性。

根據上述工作原理，根據圖3給出的無線信道安全傳輸模型對改進的多天線陣列隨機加權跳空技術進行了仿真實驗。

在仿真中采用的是平坦衰落瑞利信道，Alice采用的是4根天線來發射信號，Bob則是用1～2根天線來接收信號，Eve則采用4根天線來竊聽傳輸信號，采用Music-like方法來竊取信號。信號的調制方式是采用的是QPSK調制。

在不考慮噪聲影響的情況下，即理想狀態下使用本文方法Bob在接收端獲得訓練權值后恢復的原始信號，如圖4所示。從圖4可以看出，恢復后的信號的星座圖是規整的星座圖（星座圖的橫縱坐標分別用I、Q表示），說明了此方法的保密性是比較好的。

圖4　理想狀態下Bob的接收信號星座圖

考慮在有噪聲的情況下，在接收信號中加入信噪比為-10 dB的噪聲，Bob和Eve加權后得到的QOSK信號的星座圖如圖5和圖6所示。Bob依然是得到了規整的星座圖，但是Eve得到的星座圖是雜亂無章的，無規可循，即不能準確地得到原始信號，說明本文的方法對竊聽有一定的抵抗能力。

圖5　加噪后Bob的接收信號星座圖

圖6　Eve接收信號星座圖

傳統的天線陣列隨機加權方法和本文改進的多天線陣列隨機加權方法Bob和Eve誤碼率隨信噪比（SNR）的變化而變化的對比圖如圖7所示。Bob在采用傳統的天線陣列隨機加權方法的時候，是用1根天線來接收信號的，在采用本文方法來接收信號的時候，是采用2根天線來接收信號的；Eve則是利用Music-like估計法來竊取發送信號。

從圖7可以看出，在使用傳統的天線陣列隨機加權方法時，Eve可以獲得較好的誤碼率性能，但在使用本文方法時，誤碼率不隨信噪比的變化而變化，即本文方法相比傳統的天線陣列隨機加權方法對外來者的竊聽有較好的抵抗能力［12］。

圖7　Bob和Eve用不同方法的誤碼率

5 結束語

本文提出的一種改進的多天線陣列隨機加權方法，是在傳統的天線陣列隨機加權方法基礎上與人工噪聲方法相結合，從而有效地克服了傳統方法的恒模的限制。仿真結果表明，即使竊聽者知道跳空圖案，也無法將零空間內的人工噪聲和傳輸信號準確地分開來，仍然沒有辦法得到正確的發送信息，很好地抵抗了竊聽者對保密信號的竊聽。

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Improved Multi-antenna Weighting and Space-hopping Secure Communication Technology

ZHU Lei，XUJia-pin
（College of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065，China）

The physical layer security of multi-antenna communication system has become an important research content of communication security in recent years.The artificial noise method and antenna array random weighting method of multi-antenna secure communications can realize secure information in a wireless communication system，which guarantees the security at the physical layer of wireless communications.But when the number of eavesdropper antennas are more than or equal to those of the senders，the eavesdropper can intercept signals through Music-like.To address this issue，an improved multi-antenna array weighting method is proposed.The method combines the array weighting method and the space-hopping technique，in which the receiver selects the appropriate channel to receive and demodulate according to the generated pattern，but the eavesdropper cannot demodulate the signal since he doesn’t have the pattern.Even if the eavesdropper knows the space-hopping pattern，he cannot obtain the correct message since the artificial noise in zero space cannot be eliminated.

physical layer security；space-hopping pattern；array；weighting

TN929

A

1003-3106（2016）05-0080-05

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.21

2016-01-13

朱 磊 女，（1987—），碩士。主要研究方向：通信與信息技術。

徐家品 男，（1957—），教授。主要研究方向：多媒體通信。