基于MIMO技術的物理層安全傳輸研究

馬啟成

【摘要】? ? 不同于傳統秘鑰加密技術，無線物理層安全理論技術是根據主竊信道傳輸速率的差值等特征信息來從信息論的角度降低竊聽者獲取的有用信息量。本文通過建立中斷概率模型來對通信系統的保密性進行仿真。在系統所需保密速率是定值的條件下，主竊信道信噪比之差越低，通信的保密性越好。

【關鍵詞】? ? 無線物理層安全傳輸? ? MIMO技術? ? 中斷概率模型

Abstract：Different from traditional key encryption technology， the wireless physical layer security theory technology reduces the amount of useful information obtained by the eavesdropper according to the characteristic information such as the difference of the transmission rate of the main stealing channel from the perspective of information theory.The article simulates the confidentiality of the communication system by establishing an outage probability model.

Keywords： Wireless physical layer secure transmission? MIMO technology? Outage probability model

一、緒論

隨著計算機的運算能力突飛猛進的提升，由于密鑰的數量和長度總是有限的，因此傳統保密方法很容易被破解。為了讓合法接收者能接收到有用的信息，本文同時也會選用Alamouti編碼技術和BPSK調制方法來研究MIMO技術對信道可靠性的提升;通過使用環形干擾技術來降低竊聽信道的信噪比，進而使竊聽者無法有效的竊聽到信源信息。

二、基于MIMO技術的無線物理層安全傳輸理論

無線通信物理層安全傳輸技術的主要思想是如果主信道的傳輸速率比竊聽信道的傳輸速率更快的話，就可以確保在一定碼率上實現可靠通訊[1]。RS越大，竊聽防越難獲取信源信息，無線通信的安全性越高。當RS的值趨近于無窮大時，竊聽者獲取的有用信息接近0。

中斷概率是指實際保密速率小于所要求的用戶速率時而產生呈概率分布的中斷事件[2]。瑞利衰落信道模型可以很好的克服由于多徑效應引起的信號衰落[3]。MIMO信道采取波束成型技術，將多根天線產生的功率匯集在一起，因此通信信道的發射功率和信噪比增加。

三、基于MIMO技術下中斷概率與保密速率的模型

根據參考文獻[1]可知中斷概率公式如公式（1）所示。

由于本課題研究的是傳輸速率為最大值時情況，因此可取值為，所以等于。假設等于，可以推出4發4收情況下如公式（3）所示。從整體上看，對中斷概率的影響程度大于。

觀察圖1可知，中斷概率與主信道的信噪比和保密容量之間呈反相關的關系，與竊聽信道的信噪比和所需保密容量之間呈正相關的關系;收發天線數量越多，中斷概率越低;隨著達到安全通信所需主竊信道速率的差值越低，中斷概率越低，保密效果越好。

參? 考? 文? 獻

[1] 陳一杰. 物理層安全中保密容量提升方法的研究[D]. 哈爾濱工業大學.

[2] Yener A， Ulukus S. Wireless Physical-Layer Security： Lessons Learned From Information Theory[J]. Proceedings of the IEEE， 2015， 103（10）：1814-1825.

[3] 劉振華， 侯嘉. 多中繼協作通信系統的中斷概率分析[J]. 通信技術， 2012， 45（1）：72-74.

[4] Li X， Dai H N， Wang Y， et al. Eavesdropping activities in wireless networks： impact of channel randomness[C]// Tencon IEEE Region 10 Conference. 2016.