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,廖潤發(fā)(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室,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,廖潤發(fā)
(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室,四川成都611731)

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

多用戶MIMO 塊對角化預編碼 竊聽者

0 引 言

下行鏈路系統(tǒng)中,基站向多個移動臺(用戶)同時發(fā)射信號,此時用戶不僅要接收基站發(fā)送給自己的信號,還要接收發(fā)送給其他用戶的干擾信號。文獻[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到發(fā)送給小區(qū)其他用戶的信息,造成嚴重的信息泄露事故,所以在下行鏈路系統(tǒng)中,基站需要對發(fā)射信號進行預處理[3-7],使用戶接收到各自無干擾信息。塊對角化預編碼是一種可用在下行多用戶鏈路中的線性預編碼技術,其主要思想是將每個用戶的預編碼矩陣設計在其他用戶信道零空間里,這樣就能把復雜的多用戶信道分解成多個并行的、彼此無干擾的單用戶信道,每個等效的單用戶MIMO信道具有傳統(tǒng)單用戶MIMO信道特性。文獻[7]論述了多用戶通信系統(tǒng)利用塊對角化(BD)預編碼,可以使下行鏈路中小區(qū)用戶彼此抗竊聽,且竊聽方誤碼率能夠達到0.5。文獻[8]針對空時分組碼提出一種在偽隨機序列控制下通過扭曲編碼矩陣來誤導竊聽者實現(xiàn)跨層安全的設計方案。本文針對小區(qū)用戶之外的惡意竊聽者,提出一種通過翻轉預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 塊對角化預編碼系統(tǒng)模型

塊對角化(BD)預編碼是一種次最優(yōu),但是更實用的下行多用戶MIMO信道的預編碼技術。圖1為多用戶預編碼系統(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個用戶,每個用戶有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。為了防止信道空間里用戶信號相互干擾,b(i)在發(fā)射前需要通過一個M× Li維預編碼矩陣T(i)模塊,將Li個并行符號映射到基站的M根發(fā)射天線同時發(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:

式中,n(i)為復加性高斯白噪聲。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沒有數(shù)據(jù)輸入, b(j)為隨機輸入數(shù)據(jù)。所以上式可進一步化簡成:

塊對角化預編碼就是將每個用戶的預編碼矩陣設計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,因為H(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。

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

式中,A(j)是一個非零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成:

將式(2)和式(7)帶入式(1)得:

式中,S為M-PSK調(diào)制信號集合。

塊對角化預編碼將多用戶信道分解為K條獨立單用戶信道,如圖2所示。文獻[7]討論小區(qū)用戶間干擾:塊對角化預編碼使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編碼矩陣,不可能竊聽到對方信息。在天線系統(tǒng)配置很小時,用戶竊聽其他用戶信息誤碼率達到0.5。天線配置更大時,系統(tǒng)變得相當復雜,用戶知道彼此的預編碼矩陣也很難竊聽信息,很好地防止用戶間信息干擾與竊聽。

圖2 BD預編碼將多用戶信道分解成k個單用戶信道Fig.2 Multi-user channel is decomposed into k single-user channels based on BD precoding

2 跨層抗竊聽模型

假設基站有M根發(fā)射天線,小區(qū)有K個用戶,每個用戶有Ni(i=1,2,…,K)根接收天線,其系統(tǒng)模型如圖3所示。塊對角化預編碼可以使小區(qū)用戶彼此保密通信,但系統(tǒng)外的惡意竊聽者隱藏在用戶附近通過截獲小區(qū)信道信息,很容易竊聽到發(fā)送給用戶的信息。圖3中attacker i(i=1,2,…,K)竊聽用戶i的信息。如果系統(tǒng)不采取措施,竊聽者i截獲到信道信息后,很容易由式(9)求出預編碼矩陣V(i),最后通過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,用于對抗惡意竊聽者,利用基站與每個用戶之間共享的偽隨機序列作為控制序列,控制每個用戶的預編碼矩陣形式。

圖3 有竊聽者的多用戶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,接收時首先檢測控制序列。

當檢測到控制序列qn=0時:

1)用戶i接收信號為(10)。

2)用戶知道n時刻預編碼矩陣沒翻轉,完全恢復信道信息后將按照過程(9)到(11)檢測譯碼。

當檢測到控制序列qn=1時,其譯碼過程如下: 1)用戶接收真實信號為式(16)。

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

3)利用最大似然譯碼算法譯碼:

通過上述檢測方法,合法用戶能夠正確譯碼。

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

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

若秘密控制序列值qn=1,竊聽者猜測控制序列值錯誤,竊聽者接收過程如下:

1)接收真實信號(16)。

2)竊聽者誤認為用戶預編碼矩陣為(14)。

3)最大似然譯碼得到信號:

猜錯控制序列將導致竊聽者判決出的發(fā)射信號是原來發(fā)射信號星座點翻轉180毅后的值,信號完全錯誤,M-PSK調(diào)制時使用該方案性能最差。

3 性能仿真

按照文獻[7]中的天線配置情況,基站有2根發(fā)射天線,小區(qū)有2個用戶,每個用戶用1根天線接收信號。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。塊對角化預編碼可以防止用戶間信息泄露,2個用戶竊聽對方信息性能如圖5所示,可以看出竊聽誤比特率達到0.5,有效防止用戶間信息泄露。

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

假設基站有6根發(fā)射天線,小區(qū)有3個用戶,每個用戶用2根天線接收信號。系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制方式,基站為每個用戶發(fā)射104 000個二進制數(shù)據(jù)。系統(tǒng)為每個用戶傳輸26個調(diào)制符號過程中,信道信息不變。3個用戶接收情況相同,故它們性能很接近如圖6所示。系統(tǒng)使用跨層安全方案,惡意竊聽者分別竊聽這3個用戶信息時,竊聽者性能如圖7所示。每個竊聽者誤比特率都在0.5左右,有效防止信息被惡意竊聽的危險。

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

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

圖7 惡意竊聽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 語

基于塊對角化預編碼算法的系統(tǒng),可以防止用戶間信息的干擾,彌補了廣播信道的不足。我們在該系統(tǒng)中加入跨層技術,用來防止系統(tǒng)外的惡意竊聽者竊取用戶信息,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、博士生導師,主要研究方向為無線通信與通信安全;

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,主要研究方向為通信安全與保密;

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

向 達(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向為5G通信系統(tǒng)物理層安全技術研究;

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

廖潤發(fā)(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向為通信安全與保密。

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

國家自然科學基金項目(No.61032003,No.61271172)、高等學校博士學科點專項科研基金(No.20120185110030, No.20130185130002)、四川省國際合作研究項目(No.2013HH0005)和國家教育部回國人員科研啟動基金聯(lián)合資助

TN929.5

A

1002-0802(2015)02-0135-05

宋歡歡(1987—),女,碩士研究生,主要研究方向為未來無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