0 引言

    由于广播传输特性，无线通信网络容易受到窃听、干扰、甚至攻击而引发一系列安全问题。针对这些安全威胁，近年来提出的物理层安全方法从无线信道的本质和特点出发，利用编码、调制等通信传输手段，研究有效的无线信号安全传输的方法^[1]，既保证了合法用户的通信质量，又增加了窃听者截获信号与还原信息的难度。

针对传统三节点窃听场景，人工噪声^[2]是一种有效的物理层安全方法，它需要发送方通过信道估计获取CSI，即在进行数据信号传输之前，合法接收方发送导频信号，发送方根据接收的导频信号进行信道估计。然而，在窃听网络中，被多次传输的导频很可能被窃听方获取，当合法接收方发送导频信号时，与传统窃听方只窃听^[3]或发送噪声干扰^[4]不同，窃听方也发射导频信号，干扰发送方的信道估计。针对这种被称为导频干扰的安全问题，文献[5]推导了存在小区间的同频导频干扰时的信道估计结果，同时给出了基于小区协作的优化方案，但是窃听方为了增强窃听性能不可能协作发送方，所以该方案不适用于窃听场景下的主动导频干扰。

    针对该问题，本文提出一种基于分段导频发送和人工噪声的物理层安全传输方案。首先将导频发送长度平均分为n段，合法接收方每次选取其中的m段发送导频信号，剩余的n-m段不发导频信号。窃听方为了实现导频干扰，会在导频发送阶段一直发送导频信号，那么发送方用n-m段导频信号获取窃听信道的近似估计，并用其消除基于m段导频信号的信道估计结果中的窃听信道部分，从而降低导频干扰的影响。最后发送方根据获取的CSI设计合理的预编码矩阵，同时发送信号和人工噪声，提高了系统安全性能。理论分析和数值仿真表明所提方案下的安全速率大大提升。

1 系统模型和问题提出

    在一个三节点多天线复高斯网络中，天线数分别是N_A、N_B和N_E，如图1所示。

    在信道估计阶段，导频信号可以表示为：

    由此可知，发送方到合法接收方之间的信道估计结果主要是主信道H_BA和窃听信道H_EA的线性相加，且加权系数与发送功率成正相关。该估计结果中的窃听信道H_EA部分使设计的预编码矩阵有利于窃听方，系统安全性能受到严重威胁。针对该安全问题，本文研究有效的物理层安全传输方案，从而降低导频干扰的威胁，保证通信系统的安全性。

2 基于分段导频发送和人工噪声的安全传输方案

2.1 n-m段导频信号的信道估计

    如图2所示，首先将导频发送长度T_p平均分为n段，每段长度为Δ_T=T_i=T_p/n，i=1，…，n。在信道估计阶段，合法接收方选取其中的m段发送导频信号，剩余的n-m段不发导频信号。假设合法用户共享每次选取的m段导频发送信息，窃听方无法获取该信息。于是窃听方为了实现导频干扰，会在信道估计阶段一直发送导频信号。发送方的n-m段接收信号可以表示为：

    由于发送方不知道窃听方到达的功率，只知道接收信号的总功率，采用LS准则进行信道估计可得：

2.2 m段导频信号的信道估计

    在m段导频发送区间里，合法接收方增大导频发送功率，窃听方还是发送导频干扰，发送方进行第二次信道估计，易得：

    通过两次信道估计，在第一阶段获取窃听信道的估计结果，并基于该结果消除第二次信道估计结果中的窃听信道部分，虽然增加了信道估计的复杂度，但是大大降低了窃听方导频干扰的影响。由于两次信道估计的过程都存在系统噪声的干扰，最终的信道估计结果还存在较大的误差。

2.3 基于人工噪声的数据传输阶段

    发送方通过信道估计获取合法节点间的CSI，根据该CSI设计预编码矩阵，然后在数据传输阶段同时发送经过预编码的信号和人工噪声。x_A是经过预编码后的信号和噪声，它可以表示为：

    当窃听方只窃听时，合法接收方和窃听方接收的信号分别为：

    基于分段导频发送获取的信道估计降低了导频干扰的影响，在此基础上的人工噪声能较好地降低窃听性能，提高系统安全性能。本文所提方案总结为如下步骤：

    (1)合法接收方将导频发送T_p分为n段，选取其中的m段正常发送导频信号，剩余的n-m段不发送。

    (2)发送方利用n-m段接收信号获取窃听信道的近似估计用该结果消除m段信道估计中的窃听信道部分。

    (3)发送方根据获取的信道状态信息设计预编码矩阵，并在信号传输阶段同时发送信号和人工噪声x_A，最终保证了信号的安全性。

2.4 方案性能分析

    本节用安全速率^[8]这个指标证明所提方案的有效性。

其中，K_B和K_E为合法接收方和窃听方的干扰噪声协方差矩阵，可以表示为：

3 数值仿真与安全性能分析

    下面用数值仿真分析所提方案的安全性能。此次仿真在一个1 km×1 km的区域中，发送方和合法接收方的位置坐标为(-250 m，0)和(250 m，0)，窃听方的位置是(0，400 m)，参考距离d₀=1 m，路径衰减常数α=2，κ=1。令节点的天线数和功率分别为N_A=7，N_B=N_E=4，P_B=P_E=100 mW，噪声功率为-40 dBm。

    图3分析了存在半双工窃听方时，系统安全速率随合法接收方功率的变化。当发送方已知信道状态信息，人工噪声达到的性能最优。当窃听方发送导频干扰时，信道估计结果是主信道和窃听信道的线性叠加，合法接收方发送功率的增加增大了信道估计中主信道的加权系数，于是导频干扰下的安全性能随发送功率的增加而增加。本文所提方案用第一次信道估计结果补偿第二次信道估计，从而使获取的信道估计消除窃听信道的影响，提高系统安全性能。由图3可知，本文所提方案下的安全速率比存在导频干扰时平均提高了1.34 bit/s/Hz，然而两次信道估计都受系统噪声的影响，使最终的估计结果和主信道有偏差，于是，该方案达到的性能比已知CSI场景下的性能要差。

    图4研究了系统噪声对所提方案性能的影响。噪声功率从-70 dBm～-10 dBm变化时，安全速率都随之降低，当到达-20 dBm时，安全速率几乎为零，这是因为在极恶劣的系统噪声环境下，无法进行正常通信。随噪声功率的增大，本文方案和已知CSI的安全速率差值先增大后减小，这是因为从-70 dBm～-40 dBm的噪声区间里，噪声功率值较小，本文方案的误差因噪声功率较小而较小，达到的安全性能更好。当噪声功率增大到破坏正常通信时，所有方案的性能度急剧恶化。

4 结论

    在一个三节点MIMO窃听网络中，当窃听方在信道估计阶段发送恶意导频干扰，系统安全性能受到严重威胁。针对该安全问题，本文提出一种基于分段导频发送和人工噪声的物理层安全传输方案，首先将导频发送长度平均分为n段，合法接收方每次选取其中的m段发送导频信号，剩余的n-m段不发导频信号。发送方用对应的n-m段接收信号获取窃听信道的近似估计，并用其消除基于m段导频信号的信道估计结果中的窃听信道部分，从而获取准确的信道估计结果。然后发送方设计预编码矩阵，并同时发送信号和人工噪声，实现信号的安全传输。最后，通过理论分析证明所提方案的安全性。数值仿真表明当干扰功率为100 mW时，本文所提方案下的安全速率平均提高了1.34 bit/s/Hz。

参考文献

[1] WYNER A D.The wire-tap channel[J].Bell System Technical Journal，1975，54(8)：1355-1387.

[2] LIN P H，LAI S H.On secrecy rate of the generalized artificial-noise assisted secure beamforming for wiretap channels[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2013，31(9)：1728-1740.

[3] Li Hao，Wang Xianbin.Dynamic subcarrier coordinate interleaving for eavesdropping prevention in OFDM systems[J].IEEE Communications Letters，2014，18(6)：1059-1062.

[4] PAIK H，SASTRY N N.Effectiveness of noise jamming with white Gaussian noise and phase noise in amplitude comparison monopulse radar receivers[C].IEEE International Conference on Electronics，Computing and Communication Technologies，2014：1-5.

[5] YUKSEL M，ERKIP E.Analysis and design of channel estimation multi-cell multi-user MIMO OFDM systems[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2014，13(20)：1-11.

[6] KAY S M.Fundamentals of statistical signal processing：Estimation theory[M].Prentice Hall，1993.

[7] MUKHERJEE A，SWINDLEHURST A L.Jamming games in the MIMO wiretap channel with an active eavesdropper[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2013，61(1)：82-91.

[8] YAN S H，GERACI G，YANG N，et al.On the target secrecy rate for SISOME wiretap channels[C].Proceedings of 2014 IEEE International Conference on Communications(ICC)，2014.

[9] GOEL S，NEGI R.Guaranteeing secrecy using artificial noise[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2008，7(6)：2180-2189.

作者信息:

卓国锋1，杜圣东2，林胜斌3

(1.成都职业技术学院 软件学院，四川 成都610041；

2.西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都610031；3.重庆通信学院，重庆400000）