基于人工噪声的多用途MIMO系统安全算法

张存侠

摘 要： 针对传统多用户MIMO系统存在大量噪声导致信道接收不准确，安全性能下降的问题。通过构建MIMO系统安全传输模型，选择一种联合信道状态矩阵的MIMO系统算法来满足信号传输的安全需求。通过预编码抑制人工噪声的影响，建立联合信道状态矩阵进行奇异值分解，由最小奇异值执行预编码计算。通过仿真结果分析表明：对于不存在零空间的MIMO系统，采用人工噪声进行信号加密，尽管占用了系统部分容量，但有效提高了系统的保密容量，当合法信道质量降低时，通过提高分配人工噪声系数来提高保密容量。

关键词： MIMO系统; 人工噪声; 信道状态矩阵; 无线通信

中图分类号： G 640

文献标志码： 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）作為无线通信系统关键技术，被应用于无线信道传播中。由于电磁信号传播中无线信道开放性，导致通信内容极易被窃听，因此保障多用户MIMO通信安全十分必要[1]。由于传统的MIMO系统没有零空间，因此通过引入人工噪声进行通信信号加密处理容易带入额外噪声，世道信道传输条件下降[2-3]。文献[4]将波束赋形和人工噪声结合来，通过引入冗余发射人工噪声干扰窃听方，提高通信质量安全;文献[5]针对MIMO广播信道特点分析了线性波束赋形的安全效果，并在一定的用户信噪比下的噪声功率分配方案。文献[6]对噪声功率的具体分配以及实现保密容量的最大化进行了分析，并给出了噪声功率的优化分配方案。可以看出，上述分析均在特定场景下进行了安全分析，导致系统的用户容量不能根据实际情况发生改变。本文提出一种基于人工噪声的多用户MIMO系统加密算法，通过构建一种联合信道状态矩阵实现信道信号的安全传输。

1 多用户MIMO系统加密模型

模型假设发送端装设有NT根发射天线，合法用户均装设有NR根接收天线，窃听用户装设了NE根接收天线，则确定K个合法用户和唯一的一个窃听用户信号如式（1）、式（2）所示。

其中bk和Hk表示为模型中第k个合法用户的发送信号和信道状态矩阵，Hc为窃听用户信道状态矩阵，tk和p消除用户干扰和人工噪声的预编码，z为人工噪声，nk为合法用户nc为窃听用户信号的高斯白噪声。

确定第k个合法用户和窃听用户信号估计分别如式（3）、式（4）所示。

其中wk和wc分别为合法用户和窃听用户波束赋形加权的NRx1为向量，wHk、wHc表示共轭转置。

对于系统安全加密，需要同时满足两个条件：避免用户间的相互干扰，同时尽量降低人工噪声的影响[7]。因此，根据加密算法是保护合法信道的同时过滤人工噪声和避免信道干扰，由式（3）、（4）中可知，合法用户信道存在自然噪声wHknk和人工噪声

wHkHkpz影响，窃听方通信道受人工噪声wHcHcpz和自然噪声wHcne的作用。因此可利用加密算法设计预编码tk和p，使合法信道过滤大量人工噪声和多用户干扰来提升信息传输安全性，tk和p是补矩阵奇异值求解过程中得到的预编码。

2 多用户 MIMO 系统加密算法

2.1 补矩阵奇异值分解的预编码

将权值向量wl基于破零波束赋形法进行波束赋形[8]，定义补助矩阵

由图1（a）中可以看出，在系统未施加人工噪声时，由于多用户间存在的信道干扰作用，导致部分保密容量大于0。将人工噪声施加到MIMO系统中时，保密容量得到提高，在40≤σ2n/σ2c≤100范围内的保密容量均大于0，满足安全通信要求。由图1（b）中可看出，由于受到发射功率的影响，导致加密和容量存在较大损失，且损失量随噪声功率分配增大。

当保持其他条件不变，合法用户数为4个时，系统不存在零空间时，获得第k个保密容量和容量仿真如图2所示。可以看出，系统不存在零空间时，保密容量相较零空间系统有所下降，功率分配系数0.8，70≤σ2n/σ2c≤100时，系统不能满足安全通行。随着合法用户信道质量下降，功率分配系数在0.4时的保密容量高于系数为0.8，表明通过增加人工噪声信号发生扰乱且停放，能提高系统保密容量，增強通信安全质量。

图2（b）中，系统不存在零空间时，人工噪声的作用导致系统和容量损失。其中功率分配系数0.4时的系统和容量降低一半。此时和容量存在一定损伤，但系统的用户数得到了大幅增加，加密后和容量相较于存在零空间要大，因此，实际中可通过损失一定和容量来改善系统的保密容量。

4 总结

针对MIMO系统不存在零空间特征，提出一种联合信道状态矩阵传输算法，利用预编码来抑制人工噪声的影响，建立联合信道状态居住进行奇异值分解，由最小奇异值执行预编码计算。通过仿真结果分析表明：对于的MIMO系统，引入人工噪声进行信道信息传输的加密，尽管降低了部分和容量，但有效提高了系统保密容量，合法信道变差时，可通过提高分配人工噪声系数来提高保密容量。

参考文献

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（收稿日期： 2019.06.23）