基于人工噪聲的多用途MIMO系統安全算法

張存俠

摘 要：?針對傳統多用戶MIMO系統存在大量噪聲導致信道接收不準確，安全性能下降的問題。通過構建MIMO系統安全傳輸模型，選擇一種聯合信道狀態矩陣的MIMO系統算法來滿足信號傳輸的安全需求。通過預編碼抑制人工噪聲的影響，建立聯合信道狀態矩陣進行奇異值分解，由最小奇異值執行預編碼計算。通過仿真結果分析表明：對于不存在零空間的MIMO系統，采用人工噪聲進行信號加密，盡管占用了系統部分容量，但有效提高了系統的保密容量，當合法信道質量降低時，通過提高分配人工噪聲系數來提高保密容量。

關鍵詞：?MIMO系統; 人工噪聲; 信道狀態矩陣; 無線通信

中圖分類號： G 640

文獻標志碼： A

Multi-purpose MIMO System Security Algorithm Based on Artificial Noise

ZHANG Cunxia

（School of Mathematics and Statistics， Shaanxi Xueqian Normal University， Xi'an， Shanxi 710100， China）

Abstract：

There are a lot of noise in traditional multi-user MIMO system， which leads to inaccurate channel reception and poor security performance. By constructing a secure transmission model based on MIMO system， an MIMO system security algorithm based on joint channel state matrix is selected to realize the transmission security of the system. The precoding is used to suppress the influence of artificial noise， the joint channel state matrix is established to decompose the singular value， and the precoding calculation is performed by the minimum singular value. The simulation results show that for the MIMO system with no zero space， the system is improved by introducing artificial noise to encrypt the system under the premise of reducing the partial and capacity. The security capacity of the system is improved by increasing the allocation of artificial noise coefficient when the legitimate channel conditions become worse.

Key words：

MIMO system; artificial noise; channel state matrix; wireless communication

0 引言

多入多出（MIMO）作為無線通信系統關鍵技術，被應用于無線信道傳播中。由于電磁信號傳播中無線信道開放性，導致通信內容極易被竊聽，因此保障多用戶MIMO通信安全十分必要[1]。由于傳統的MIMO系統沒有零空間，因此通過引入人工噪聲進行通信信號加密處理容易帶入額外噪聲，世道信道傳輸條件下降[2-3]。文獻[4]將波束賦形和人工噪聲結合來，通過引入冗余發射人工噪聲干擾竊聽方，提高通信質量安全;文獻[5]針對MIMO廣播信道特點分析了線性波束賦形的安全效果，并在一定的用戶信噪比下的噪聲功率分配方案。文獻[6]對噪聲功率的具體分配以及實現保密容量的最大化進行了分析，并給出了噪聲功率的優化分配方案。可以看出，上述分析均在特定場景下進行了安全分析，導致系統的用戶容量不能根據實際情況發生改變。本文提出一種基于人工噪聲的多用戶MIMO系統加密算法，通過構建一種聯合信道狀態矩陣實現信道信號的安全傳輸。

1 多用戶MIMO系統加密模型

模型假設發送端裝設有NT根發射天線，合法用戶均裝設有NR根接收天線，竊聽用戶裝設了NE根接收天線，則確定K個合法用戶和唯一的一個竊聽用戶信號如式（1）、式（2）所示。

其中bk和Hk表示為模型中第k個合法用戶的發送信號和信道狀態矩陣，Hc為竊聽用戶信道狀態矩陣，tk和p消除用戶干擾和人工噪聲的預編碼，z為人工噪聲，nk為合法用戶nc為竊聽用戶信號的高斯白噪聲。

確定第k個合法用戶和竊聽用戶信號估計分別如式（3）、式（4）所示。

其中wk和wc分別為合法用戶和竊聽用戶波束賦形加權的NRx1為向量，wHk、wHc表示共軛轉置。

對于系統安全加密，需要同時滿足兩個條件：避免用戶間的相互干擾，同時盡量降低人工噪聲的影響[7]。因此，根據加密算法是保護合法信道的同時過濾人工噪聲和避免信道干擾，由式（3）、（4）中可知，合法用戶信道存在自然噪聲wHknk和人工噪聲

wHkHkpz影響，竊聽方通信道受人工噪聲wHcHcpz和自然噪聲wHcne的作用。因此可利用加密算法設計預編碼tk和p，使合法信道過濾大量人工噪聲和多用戶干擾來提升信息傳輸安全性，tk和p是補矩陣奇異值求解過程中得到的預編碼。

2 多用戶 MIMO 系統加密算法

2.1 補矩陣奇異值分解的預編碼

將權值向量wl基于破零波束賦形法進行波束賦形[8]，定義補助矩陣

由圖1（a）中可以看出，在系統未施加人工噪聲時，由于多用戶間存在的信道干擾作用，導致部分保密容量大于0。將人工噪聲施加到MIMO系統中時，保密容量得到提高，在40≤σ2n/σ2c≤100范圍內的保密容量均大于0，滿足安全通信要求。由圖1（b）中可看出，由于受到發射功率的影響，導致加密和容量存在較大損失，且損失量隨噪聲功率分配增大。

當保持其他條件不變，合法用戶數為4個時，系統不存在零空間時，獲得第k個保密容量和容量仿真如圖2所示。可以看出，系統不存在零空間時，保密容量相較零空間系統有所下降，功率分配系數0.8，70≤σ2n/σ2c≤100時，系統不能滿足安全通行。隨著合法用戶信道質量下降，功率分配系數在0.4時的保密容量高于系數為0.8，表明通過增加人工噪聲信號發生擾亂且停放，能提高系統保密容量，增強通信安全質量。

圖2（b）中，系統不存在零空間時，人工噪聲的作用導致系統和容量損失。其中功率分配系數0.4時的系統和容量降低一半。此時和容量存在一定損傷，但系統的用戶數得到了大幅增加，加密后和容量相較于存在零空間要大，因此，實際中可通過損失一定和容量來改善系統的保密容量。

4 總結

針對MIMO系統不存在零空間特征，提出一種聯合信道狀態矩陣傳輸算法，利用預編碼來抑制人工噪聲的影響，建立聯合信道狀態居住進行奇異值分解，由最小奇異值執行預編碼計算。通過仿真結果分析表明：對于的MIMO系統，引入人工噪聲進行信道信息傳輸的加密，盡管降低了部分和容量，但有效提高了系統保密容量，合法信道變差時，可通過提高分配人工噪聲系數來提高保密容量。

參考文獻

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（收稿日期： 2019.06.23）