基于MIMO技术的物理层安全传输研究

马启成

【摘要】    不同于传统秘钥加密技术，无线物理层安全理论技术是根据主窃信道传输速率的差值等特征信息來从信息论的角度降低窃听者获取的有用信息量。本文通过建立中断概率模型来对通信系统的保密性进行仿真。在系统所需保密速率是定值的条件下，主窃信道信噪比之差越低，通信的保密性越好。

【关键词】    无线物理层安全传输    MIMO技术    中断概率模型

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、绪论

随着计算机的运算能力突飞猛进的提升，由于密钥的数量和长度总是有限的，因此传统保密方法很容易被破解。为了让合法接收者能接收到有用的信息，本文同时也会选用Alamouti编码技术和BPSK调制方法来研究MIMO技术对信道可靠性的提升;通过使用环形干扰技术来降低窃听信道的信噪比，进而使窃听者无法有效的窃听到信源信息。

二、基于MIMO技术的无线物理层安全传输理论

无线通信物理层安全传输技术的主要思想是如果主信道的传输速率比窃听信道的传输速率更快的话，就可以确保在一定码率上实现可靠通讯[1]。RS越大，窃听防越难获取信源信息，无线通信的安全性越高。当RS的值趋近于无穷大时，窃听者获取的有用信息接近0。

中断概率是指实际保密速率小于所要求的用户速率时而产生呈概率分布的中断事件[2]。瑞利衰落信道模型可以很好的克服由于多径效应引起的信号衰落[3]。MIMO信道采取波束成型技术，将多根天线产生的功率汇集在一起，因此通信信道的发射功率和信噪比增加。

三、基于MIMO技术下中断概率与保密速率的模型

根据参考文献[1]可知中断概率公式如公式（1）所示。

由于本课题研究的是传输速率为最大值时情况，因此可取值为，所以等于。假设等于，可以推出4发4收情况下如公式（3）所示。从整体上看，对中断概率的影响程度大于。

观察图1可知，中断概率与主信道的信噪比和保密容量之间呈反相关的关系，与窃听信道的信噪比和所需保密容量之间呈正相关的关系;收发天线数量越多，中断概率越低;随着达到安全通信所需主窃信道速率的差值越低，中断概率越低，保密效果越好。

参  考  文  献

[1] 陈一杰. 物理层安全中保密容量提升方法的研究[D]. 哈尔滨工业大学.

[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] 刘振华， 侯嘉. 多中继协作通信系统的中断概率分析[J]. 通信技术， 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.