0序言
因为广播传输特点，无线通讯网路容易遭到监听、干扰、甚至功击而引起一系列安全问题。针对这种安全恐吓，近些年来提出的数学层安全方式从无线信道的本质和特性出发，借助编码、调制等通讯传输手段，研究有效的无线讯号安全传输的方式[1]，既保证了合法用户的通讯质量，又降低了监听者查获讯号与还原信息的难度。
针对传统三节点监听场景，人工噪音[2]是一种有效的化学层安全方式，它须要发送方通过信道恐怕获取CSI，即在进行数据讯号传输之前，合法接收方发送导频讯号，发送方按照接收的导频讯号进行信道恐怕。但是，在监听网路中，被多次传输的导频很可能被监听方获取，当合法接收方发送导频讯号时，与传统监听方只监听[3]或发送噪音干扰[4]不同，监听方也发射导频讯号，干扰发送方的信道恐怕。针对这些被称为导频干扰的安全问题，文献[5]推论了存在新村间的同频导频干扰时的信道恐怕结果，同时给出了基于新村协作的优化方案，并且监听方为了提高监听性能不可能协作发送方，所以该方案不适用于监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音的数学层安全传输方案。首先将导频发送宽度平均分为n段，合法接收方每次选定其中的m段发送导频讯号，剩余的n-m段不发导频讯号。监听方为了实现导频干扰，会在导频发送阶段始终发送导频讯号，这么发送方用n-m段导频讯号获取监听信道的近似恐怕，并用其清除基于m段导频讯号的信道恐怕结果中的监听信道部份，因而增加导频干扰的影响。最后发送方按照获取的CSI设计合理的预编码矩阵，同时发送讯号和人工噪音，增强了系统安全性能。理论剖析和数值仿真表明所提方案下的安全速度大大提高。
1系统模型和问题提出
在一个三节点多天线复高斯网路中，天线数分别是NA、NB和NE，如图1所示。
在信道恐怕阶段，导频讯号可以表示为：
由此可知，发送方到合法接收方之间的信道恐怕结果主要是主信道HBA和监听信道HEA的线性相乘，且加权系数与发送功率成正相关。该恐怕结果中的监听信道HEA部份使设计的预编码矩阵有利于监听方，系统安全性能遭到严重恐吓。针对该安全问题，本文研究有效的化学层安全传输方案，进而增加导频干扰的恐吓，保证通讯系统的安全性。
2基于分段导频发送和人工噪音的安全传输方案
2.1n-m段导频讯号的信道恐怕
如图2所示，首先将导频发送宽度Tp平均分为n段，每段宽度为ΔT=Ti=Tp/n，i=1声的利用和噪声思维导图，…，n。在信道恐怕阶段，合法接收方选定其中的m段发送导频讯号，剩余的n-m段不发导频讯号。假定合法用户共享每次选定的m段导频发送信息，监听方未能获取该信息。于是监听方为了实现导频干扰，会在信道恐怕阶段始终发送导频讯号。发送方的n-m段接收讯号可以表示为：
因为发送方不晓得监听方抵达的功率，只晓得接收讯号的总功率，采用LS准则进行信道恐怕可得：
2.2m段导频讯号的信道恐怕
在m段导频发送区间里，合法接收方减小导频发送功率，监听方还是发送导频干扰，发送方进行第二次信道恐怕，易得：
通过两次信道恐怕，在第一阶段获取监听信道的恐怕结果，并基于该结果去除第二次信道恐怕结果中的监听信道部份，即使降低了信道恐怕的复杂度，而且大大增加了监听方导频干扰的影响。因为两次信道恐怕的过程都存在系统噪音的干扰，最终的信道恐怕结果还存在较大的偏差。
2.3基于人工噪音的数据传输阶段
发送方通过信道恐怕获取合法节点间的CSI，按照该CSI设计预编码矩阵，之后在数据传输阶段同时发送经过预编码的讯号和人工噪音。xA是经过预编码后的讯号和噪音，它可以表示为：
当监听方只监听时，合法接收方和监听方接收的讯号分别为：
基于分段导频发送获取的信道恐怕增加了导频干扰的影响，在此基础上的人工噪音能较好地增加监听性能，增强系统安全性能。本文所提方案总结为如下步骤：
(1)合法接收方将导频发送Tp分为n段，选定其中的m段正常发送导频讯号，剩余的n-m段不发送。
(2)发送方借助n-m段接收讯号获取监听信道的近似恐怕
用该结果清除m段信道恐怕
中的监听信道部份。
(3)发送方按照获取的信道状态信息设计预编码矩阵，并在讯号传输阶段同时发送讯号和人工噪音xA，最终保证了讯号的安全性。
2.4方案性能剖析
本节用安全速度[8]这个指标证明所提方案的有效性。
其中，KB和KE为合法接收方和监听方的干扰噪音协残差矩阵，可以表示为：
3数值仿真与安全性能剖析
下边用数值仿真剖析所提方案的安全性能。这次仿真在一个1km×1km的区域中，发送方和合法接收方的位置座标为(-250m，0)和(250m，0)声的利用和噪声思维导图，监听方的位置是(0，400m)，参考距离d0=1m，路径衰减常数α=2，κ=1。令节点的天线数和功率分别为NA=7，NB=NE=4，PB=PE=100mW，噪音功率为-40dBm。
图3剖析了存在半双工监听方时，系统安全速度随合法接收方功率的变化。当发送方已知信道状态信息，人工噪音达到的性能最优。当监听方发送导频干扰时，信道恐怕结果是主信道和监听信道的线性叠加，合法接收方发送功率的降低减小了信道恐怕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降低而降低。本文所提方案用第一次信道恐怕结果补偿第二次信道恐怕，进而使获取的信道恐怕清除监听信道的影响，增强系统安全性能。由图3可知，本文所提方案下的安全速度比存在导频干扰时平均提升了1.34bit/s/Hz，但是两次信道恐怕都受系统噪音的影响，使最终的恐怕结果和主信道有误差，于是，该方案达到的性能比已知CSI场景下的性能要差。
图4研究了系统噪音对所提方案性能的影响。噪音功率从-70dBm～-10dBm变化时，安全速度都急剧增加，当抵达-20dBm时，安全速度几乎为零，这是由于在极恶劣的系统噪音环境下，未能进行正常通讯。随噪音功率的减小，本文方案和已知CSI的安全速度差值先减小后减少，这是由于从-70dBm～-40dBm的噪音区间里，噪音功率值较小，本文方案的偏差因噪音功率较小而较小，达到的安全性能更好。当噪音功率减小到破坏正常通讯时，所有方案的性能度大幅恶化。
4推论
在一个三节点MIMO监听网路中，当监听方在信道恐怕阶段发送恶意导频干扰，系统安全性能遭到严重恐吓。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音的数学层安全传输方案，首先将导频发送宽度平均分为n段，合法接收方每次选定其中的m段发送导频讯号，剩余的n-m段不发导频讯号。发送方用对应的n-m段接收讯号获取监听信道的近似恐怕，并用其清除基于m段导频讯号的信道恐怕结果中的监听信道部份，因而获取确切的信道恐怕结果。之后发送方设计预编码矩阵，并同时发送讯号和人工噪音，实现讯号的安全传输。最后，通过理论剖析证明所提方案的安全性。数值仿真表明当干扰功率为100mW时，本文所提方案下的安全速度平均提升了1.34bit/s/Hz。
参考文献
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作者信息:
卓国锋1，杜圣东2，林胜斌3
(1.北京职业技术大学软件大学，浙江杭州；
2.东北交通学院信息科学与技术大学，浙江杭州；3.上海通讯大学，上海）