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摘 要：?針對傳統(tǒng)多用戶MIMO系統(tǒng)存在大量噪聲導(dǎo)致信道接收不準(zhǔn)確，安全性能下降的問題。通過構(gòu)建MIMO系統(tǒng)安全傳輸模型，選擇一種聯(lián)合信道狀態(tài)矩陣的MIMO系統(tǒng)算法來滿足信號傳輸?shù)陌踩枨?。通過預(yù)編碼抑制人工噪聲的影響，建立聯(lián)合信道狀態(tài)矩陣進(jìn)行奇異值分解，由最小奇異值執(zhí)行預(yù)編碼計算。通過仿真結(jié)果分析表明：對于不存在零空間的MIMO系統(tǒng)，采用人工噪聲進(jìn)行信號加密，盡管占用了系統(tǒng)部分容量，但有效提高了系統(tǒng)的保密容量，當(dāng)合法信道質(zhì)量降低時，通過提高分配人工噪聲系數(shù)來提高保密容量。

關(guān)鍵詞：?MIMO系統(tǒng); 人工噪聲; 信道狀態(tài)矩陣; 無線通信

中圖分類號： G 640

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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）作為無線通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，被應(yīng)用于無線信道傳播中。由于電磁信號傳播中無線信道開放性，導(dǎo)致通信內(nèi)容極易被竊聽，因此保障多用戶MIMO通信安全十分必要[1]。由于傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)沒有零空間，因此通過引入人工噪聲進(jìn)行通信信號加密處理容易帶入額外噪聲，世道信道傳輸條件下降[2-3]。文獻(xiàn)[4]將波束賦形和人工噪聲結(jié)合來，通過引入冗余發(fā)射人工噪聲干擾竊聽方，提高通信質(zhì)量安全;文獻(xiàn)[5]針對MIMO廣播信道特點(diǎn)分析了線性波束賦形的安全效果，并在一定的用戶信噪比下的噪聲功率分配方案。文獻(xiàn)[6]對噪聲功率的具體分配以及實(shí)現(xiàn)保密容量的最大化進(jìn)行了分析，并給出了噪聲功率的優(yōu)化分配方案。可以看出，上述分析均在特定場景下進(jìn)行了安全分析，導(dǎo)致系統(tǒng)的用戶容量不能根據(jù)實(shí)際情況發(fā)生改變。本文提出一種基于人工噪聲的多用戶MIMO系統(tǒng)加密算法，通過構(gòu)建一種聯(lián)合信道狀態(tài)矩陣實(shí)現(xiàn)信道信號的安全傳輸。

1 多用戶MIMO系統(tǒng)加密模型

模型假設(shè)發(fā)送端裝設(shè)有NT根發(fā)射天線，合法用戶均裝設(shè)有NR根接收天線，竊聽用戶裝設(shè)了NE根接收天線，則確定K個合法用戶和唯一的一個竊聽用戶信號如式（1）、式（2）所示。

其中bk和Hk表示為模型中第k個合法用戶的發(fā)送信號和信道狀態(tài)矩陣，Hc為竊聽用戶信道狀態(tài)矩陣，tk和p消除用戶干擾和人工噪聲的預(yù)編碼，z為人工噪聲，nk為合法用戶nc為竊聽用戶信號的高斯白噪聲。

確定第k個合法用戶和竊聽用戶信號估計分別如式（3）、式（4）所示。

其中wk和wc分別為合法用戶和竊聽用戶波束賦形加權(quán)的NRx1為向量，wHk、wHc表示共軛轉(zhuǎn)置。

對于系統(tǒng)安全加密，需要同時滿足兩個條件：避免用戶間的相互干擾，同時盡量降低人工噪聲的影響[7]。因此，根據(jù)加密算法是保護(hù)合法信道的同時過濾人工噪聲和避免信道干擾，由式（3）、（4）中可知，合法用戶信道存在自然噪聲wHknk和人工噪聲

wHkHkpz影響，竊聽方通信道受人工噪聲wHcHcpz和自然噪聲wHcne的作用。因此可利用加密算法設(shè)計預(yù)編碼tk和p，使合法信道過濾大量人工噪聲和多用戶干擾來提升信息傳輸安全性，tk和p是補(bǔ)矩陣奇異值求解過程中得到的預(yù)編碼。

2 多用戶 MIMO 系統(tǒng)加密算法

2.1 補(bǔ)矩陣奇異值分解的預(yù)編碼

將權(quán)值向量wl基于破零波束賦形法進(jìn)行波束賦形[8]，定義補(bǔ)助矩陣

由圖1（a）中可以看出，在系統(tǒng)未施加人工噪聲時，由于多用戶間存在的信道干擾作用，導(dǎo)致部分保密容量大于0。將人工噪聲施加到MIMO系統(tǒng)中時，保密容量得到提高，在40≤σ2n/σ2c≤100范圍內(nèi)的保密容量均大于0，滿足安全通信要求。由圖1（b）中可看出，由于受到發(fā)射功率的影響，導(dǎo)致加密和容量存在較大損失，且損失量隨噪聲功率分配增大。

當(dāng)保持其他條件不變，合法用戶數(shù)為4個時，系統(tǒng)不存在零空間時，獲得第k個保密容量和容量仿真如圖2所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)不存在零空間時，保密容量相較零空間系統(tǒng)有所下降，功率分配系數(shù)0.8，70≤σ2n/σ2c≤100時，系統(tǒng)不能滿足安全通行。隨著合法用戶信道質(zhì)量下降，功率分配系數(shù)在0.4時的保密容量高于系數(shù)為0.8，表明通過增加人工噪聲信號發(fā)生擾亂且停放，能提高系統(tǒng)保密容量，增強(qiáng)通信安全質(zhì)量。

圖2（b）中，系統(tǒng)不存在零空間時，人工噪聲的作用導(dǎo)致系統(tǒng)和容量損失。其中功率分配系數(shù)0.4時的系統(tǒng)和容量降低一半。此時和容量存在一定損傷，但系統(tǒng)的用戶數(shù)得到了大幅增加，加密后和容量相較于存在零空間要大，因此，實(shí)際中可通過損失一定和容量來改善系統(tǒng)的保密容量。

4 總結(jié)

針對MIMO系統(tǒng)不存在零空間特征，提出一種聯(lián)合信道狀態(tài)矩陣傳輸算法，利用預(yù)編碼來抑制人工噪聲的影響，建立聯(lián)合信道狀態(tài)居住進(jìn)行奇異值分解，由最小奇異值執(zhí)行預(yù)編碼計算。通過仿真結(jié)果分析表明：對于的MIMO系統(tǒng)，引入人工噪聲進(jìn)行信道信息傳輸?shù)募用?，盡管降低了部分和容量，但有效提高了系統(tǒng)保密容量，合法信道變差時，可通過提高分配人工噪聲系數(shù)來提高保密容量。

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（收稿日期： 2019.06.23）