无线通信系统中基于多天线技术的物理层安全研究
1.文献综述
由于无线媒体的广播性质，信息安全一直是无线通信的一个关键问题。实际上，通信安全是一个相当古老的话题，可以追溯到无线通信的诞生。举一个简单的例子，古代士兵在战场上用旗帜在很远的距离上互相传递信息。然而，以这种方式敌人可能也得到了信息。无线媒体的广播性质引起了许多安全问题，特别是，它使得很难限制对无线网络的访问，并且使窃听变得非常容易，即使是在很远的地方也是如此。为了保证信息安全，人们广泛采用了高层加密技术，例如[1]中所作工作；然而，随着移动互联网的发展，传统的密码技术可能不够，甚至不合适，因为需要一个额外的安全通道来进行私钥交换。幸运的是，物理层安全（PHY安全）通过仅利用无线信道的特性（例如，衰落、噪声[2]和干扰）来实现安全通信，基于无线信道的随机性，保证物理层的通信安全性和可靠性。
虽然PHY-安全性可以通过瞬时、统计或渐近性能度量来度量，但是物理层安全的性能本质上取决于合法信道和监听通道的性能差距。这是很直观的，因为PHY安全的目的是使传输速率高于窃听者信道容量，但低于合法信道容量。在这种情况下，应当同时提高合法接收器处的接收信号功率并在侦听器处损害接收信号质量，以便提供快速、安全的， 还有可靠的通讯。有通过协作中继的方法[3]，异构蜂窝网络中的物理层安全[4]。
然而，在单天线系统中，只有有限的有效手段来提高通信安全，其中功率分配可能是提高无线安全的一种可能手段。值得指出的是，物理安全中的功率分配是一项非常重要的任务，因为传输功率将影响合法信号和窃听信号的质量。一般来说，功率分配中的相关优化问题是非凸的，没有一种著名的系统方法来获得全局最优解。在[5]中，提出了一种次优功率分配方案，以最小化窃听者的信噪比（SINR），而不是直接最大化保密率。然而，最小化窃听者的SINR只是提高通信安全性的一种间接性能度量，其结果不能保证非负保密率。此外，在[6]中提出了一种渐近最优功率和子载波分配策略，用于正交频分多址（O FDMA）中遍历保密率的最大化。基于宽带无线网络。然而，由于功率分配在改进的保密条件下的性能增益是有限的，因此很难保证安全通信的任何服务质量(QoS)。例如，如[7]所示， 如果源与窃听者之间的截获距离小于源与合法接收者之间的距离，则在单天线系统中的保密性能一般难以令人满意。因此，通过引入干扰源来实现协同干扰，从而削弱了窃听者的截获能力[8]。然而，如[9]所示，单天线干扰机也会对合法接收机产生严重的干扰，因此保密性能甚至可能比没有协同干扰时更差。只有当干扰器靠近窃听器时，协作干扰才能提高保密性能。然而，这种情况在实践中很少发生。
直观地说，如果合法的和窃听的信道接近正交，则很容易增强合法信号的强度，并通过某些手段同时削弱被截获的信号。 然而，由于合法信号和窃听信号是从同一个源产生的，并且通常通过同一个信道，所以不可能在时间和频率域上将它们分开。一种可行的方法是利用多天线提供的空间自由度。例如，如果一个源配备了多个天线，则信息信号可以在 窃听者通道的空空间。那么，即使截取距离很短，窃听者也无法接收到任何信息。同样，如果干扰机部署多个天线 它可以避免干扰泄漏到合法的接收机，从而有效地提高了保密性能。特别是多天线中继[10]、[11]、多天线干扰[12]、[13]、多用户下行链路或多接入[14]、[15]、大规模MIMO[16]、[17]，和利用多天线方向调制[18]，提高了系统的保密性能。
为了在合法接收机处增强所接收的信号功率,并且同时削弱窃听者处接收的信号质量，用于物理层安全性的多天线技术已经提出，以通过利用空间自由度来提高保密性能。在多天线启用的PHY安全中，一种很有前途的方法是使用各种线性或非线性波束形成（BF）技术，如表二所示。虽然BF的设计可以按照不同的标准，一个共同的目标是将信号指向合法的目的地，同时利用空间自由度降低窃听者方向的信号强度[19]-[21]。例如，在多次中继辅助安全通信中，协作安全波束形成是为了最大限度地提高合法接收机的信息速率，同时完全消除信息 对窃听者的泄漏[22]。在窃听者在场的情况下，由多天线中继辅助的源和目的地之间的安全无线通信。特别是继电器的两种合作方案重新探索：协作中继(CR)和协同干扰(CJ)[23]。众所周知，多天线系统中的波束形成和干扰信号设计取决于发射机[24]、[25]的信道状态信息（CS I）的可用性。与不考虑物理安全性的传统系统相比，通过多天线实现通信安全需要更完整的CSI知识。具体来说，不仅需要合法信道的CSI，而且还需要窃听信道的CSI来促进高效波束形成器的设计，因为保密率是由合法的和窃听者共同决定的。CSI精度对多天线技术的保密性能有很大的影响。
如前所述，无线网络中的物理层安全技术已被广泛的研究，但许多理论和技术问题仍然悬而未决。单天线系统提高通信安全也有许多不足之处，基于多天线技术的物理层安全策略还没有一个完整的调查，以揭示多天线技术在PHY-安全方面的基本结果，最近的进展和未来的趋势。本此论文旨在熟悉无线网络中的物理层安全技术，在理解单天线系统的物理层安全技术的基础上，分析单天线系统的不足，通过在发送端采用多天线技术，提出一种基于多天线技术的物理层安全策略。
[1] W. Stallings, Cryptography and Network Security Principles and
