一种提高多用户MIMO广播信道安全性能的方案*

2015-07-10宋欢欢廖润发电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室四川成都611731

通信技术 2015年2期

宋欢欢,唐杰,文红,向达,廖润发(电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室,四川成都611731)

宋欢欢,唐杰,文红,向达,廖润发
(电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室,四川成都611731)

无线通信的广播特性使得信息容易被非法用户窃听,研究多天线抗窃听技术非常重要。多用户MIMO(MU-MIMO)系统采用块对角化(BD)预编码,可以实现下行链路小区用户之间的防窃听,但是不属于下行链路小区用户的恶意窃听者截获到用户的信道信息时,则很容易窃听到发送给用户的信息。文中通过改进物理层技术保证信息数据安全保密的传输,仿真验证该方案具有很好的抗窃听性能。

多用户MIMO 块对角化预编码窃听者

0 引言

下行链路系统中,基站向多个移动台(用户)同时发射信号,此时用户不仅要接收基站发送给自己的信号,还要接收发送给其他用户的干扰信号。文献[1-2]已经证明了广播通信不采取任何保密措施的情况下,用户可以很容易窃听到发送给小区其他用户的信息,造成严重的信息泄露事故,所以在下行链路系统中,基站需要对发射信号进行预处理[3-7],使用户接收到各自无干扰信息。块对角化预编码是一种可用在下行多用户链路中的线性预编码技术,其主要思想是将每个用户的预编码矩阵设计在其他用户信道零空间里,这样就能把复杂的多用户信道分解成多个并行的、彼此无干扰的单用户信道,每个等效的单用户MIMO信道具有传统单用户MIMO信道特性。文献[7]论述了多用户通信系统利用块对角化(BD)预编码,可以使下行链路中小区用户彼此抗窃听,且窃听方误码率能够达到0.5。文献[8]针对空时分组码提出一种在伪随机序列控制下通过扭曲编码矩阵来误导窃听者实现跨层安全的设计方案。本文针对小区用户之外的恶意窃听者,提出一种通过翻转预编码矩阵的跨层安全方案,有效防止用户信息被恶意窃取。

1 块对角化预编码系统模型

块对角化(BD)预编码是一种次最优,但是更实用的下行多用户MIMO信道的预编码技术。图1为多用户预编码系统模型图。

图1 多用户MIMO系统模型Fig.1 Model diagram ofmulti-user MIMO system

该小区共有K个用户,每个用户有Ni(i=1,2,…,K)根接收天线,b(i)(i=1,2,…,K)表示给用户i发送的Li×1维的数据符号。为了防止信道空间里用户信号相互干扰,b(i)在发射前需要通过一个M× Li维预编码矩阵T(i)模块,将Li个并行符号映射到基站的M根发射天线同时发射出去。H(i)(i=1,2,…,K)表示用户i与基站间的Ni×M维瑞利衰落信道矩阵。用户i接收到信号:

式中,n(i)为复加性高斯白噪声。用户i接收到的数据中既包含自己有用的数据也包含其他K-1个用户的干扰数据。

为了消除其他用户数据的干扰,需满足下面条件:

式中,T(j)为非零矩阵,否则用户j没有数据输入, b(j)为随机输入数据。所以上式可进一步化简成:

块对角化预编码就是将每个用户的预编码矩阵设计在其他用户信道零空间里,防止用户间信息相互干扰。t(nj)是T(j)的第n列,因为H(i)T(j)=0,所以t(nj)在信道H(i)的零空间里:

式中,ker(·)表示矩阵的零空间或矩阵的核,疑为求子空间的交集。

非零预编码存在的充分条件为发射天线数大于任意K-1个用户天线总数的最大值即:

式中,A(j)是一个非零nj×Lj矩阵,本文采用VBLAST系统,故A(j)为单位矩阵。V(j)是正交的,可以由等效信道矩阵的右奇异向量构成:

将式(2)和式(7)带入式(1)得:

式中,S为M-PSK调制信号集合。

块对角化预编码将多用户信道分解为K条独立单用户信道,如图2所示。文献[7]讨论小区用户间干扰:块对角化预编码使H(i)V(j)(i屹j,i=1,2,…,K,j=1,2,…,K)很小,如果用户知道彼此预编码矩阵,不可能窃听到对方信息。在天线系统配置很小时,用户窃听其他用户信息误码率达到0.5。天线配置更大时,系统变得相当复杂,用户知道彼此的预编码矩阵也很难窃听信息,很好地防止用户间信息干扰与窃听。

图2 BD预编码将多用户信道分解成k个单用户信道Fig.2 Multi-user channel is decomposed into k single-user channels based on BD precoding

2 跨层抗窃听模型

假设基站有M根发射天线,小区有K个用户,每个用户有Ni(i=1,2,…,K)根接收天线,其系统模型如图3所示。块对角化预编码可以使小区用户彼此保密通信,但系统外的恶意窃听者隐藏在用户附近通过截获小区信道信息,很容易窃听到发送给用户的信息。图3中attacker i(i=1,2,…,K)窃听用户i的信息。如果系统不采取措施,窃听者i截获到信道信息后,很容易由式(9)求出预编码矩阵V(i),最后通过最大似然译码算法译出用户i信息:

本文提出一种跨层安全方案,用于对抗恶意窃听者,利用基站与每个用户之间共享的伪随机序列作为控制序列,控制每个用户的预编码矩阵形式。

图3 有窃听者的多用户MIMO系统模型Fig.3 Multi-user MIMO system model of eavesdroppers

定义控制序列:

合法用户知道控制序列,接收时首先检测控制序列。

当检测到控制序列qn=0时:

1)用户i接收信号为(10)。

2)用户知道n时刻预编码矩阵没翻转,完全恢复信道信息后将按照过程(9)到(11)检测译码。

当检测到控制序列qn=1时,其译码过程如下: 1)用户接收真实信号为式(16)。

2)用户按照式(9)计算出预编码矩阵,并将该预编码矩阵翻转180毅得到(15)。

3)利用最大似然译码算法译码:

通过上述检测方法,合法用户能够正确译码。

伪随机序列出现“0”、“1”的概率为0.5,窃听者按照控制序列全“0”、全“1”或随机猜测控制序列值的方式,都有一半的可能性猜错控制序列值。这三种检测方法很相似,我们下面主要讨论窃听者i完全按照控制序列全“0”接收检测。

若秘密控制序列值qn=0,窃听者猜测控制序列值正确,按照过程(9)到(11)检测译码,得到用户i的信息。

若秘密控制序列值qn=1,窃听者猜测控制序列值错误,窃听者接收过程如下:

1)接收真实信号(16)。

2)窃听者误认为用户预编码矩阵为(14)。

3)最大似然译码得到信号:

猜错控制序列将导致窃听者判决出的发射信号是原来发射信号星座点翻转180毅后的值,信号完全错误,M-PSK调制时使用该方案性能最差。

3 性能仿真

按照文献[7]中的天线配置情况,基站有2根发射天线,小区有2个用户,每个用户用1根天线接收信号。小区用户在配置相同的情况下,接收性能很接近,V-BLAST系统性能如图4所示。块对角化预编码可以防止用户间信息泄露,2个用户窃听对方信息性能如图5所示,可以看出窃听误比特率达到0.5,有效防止用户间信息泄露。

图4 小区有两个用户性能仿真Fig.4 Performance simulation map of two users in the cell

假设基站有6根发射天线,小区有3个用户,每个用户用2根天线接收信号。系统采用QPSK调制方式,基站为每个用户发射104 000个二进制数据。系统为每个用户传输26个调制符号过程中,信道信息不变。3个用户接收情况相同,故它们性能很接近如图6所示。系统使用跨层安全方案,恶意窃听者分别窃听这3个用户信息时,窃听者性能如图7所示。每个窃听者误比特率都在0.5左右,有效防止信息被恶意窃听的危险。

图5 小区两个用户彼此窃听对方消息性能Fig.5 Simulation chart of two users in the cell eavesdropping each other

图6 小区有三个用户性能仿真Fig.6 Performance simulationmap of three users in the cell

图7 恶意窃听者与合法用户的性能仿真Fig.7 Performance simulation map of between malicious eavesdropper and legitimate user

4 结语

基于块对角化预编码算法的系统,可以防止用户间信息的干扰,弥补了广播信道的不足。我们在该系统中加入跨层技术,用来防止系统外的恶意窃听者窃取用户信息,保证通信系统更加安全可靠的传输。

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

文红(1969—),女,教授、博士生导师,主要研究方向为无线通信与通信安全;

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

唐杰(1987—),男,硕士研究生,主要研究方向为通信安全与保密;

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

向达(1990—),男,硕士研究生,主要研究方向为5G通信系统物理层安全技术研究;

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

廖润发(1989—),男,硕士研究生,主要研究方向为通信安全与保密。

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

国家自然科学基金项目(No.61032003,No.61271172)、高等学校博士学科点专项科研基金(No.20120185110030, No.20130185130002)、四川省国际合作研究项目(No.2013HH0005)和国家教育部回国人员科研启动基金联合资助

TN929.5

1002-0802(2015)02-0135-05