不完整信道状态信息下的多小区MISO下行链路物理层安全的统一必威体育官网网址性能分析终稿选编.doc

不完全信道状态信息下的多小区MISO下行链路物理层安全的统一必威体育官网网址性能分析 陈晓明，IEEE高级会员 和 陈晓华，IEEE会士。 摘要：在本文中，我们设想一个多小区MISO下行链路，在多天线的基站（BS）发送消息到目的用户，而被动的窃听者试图在每个小区的拦截信息，为了保证信息安全，采用物理层安全技术。由于在诸多基站上只有不完整的信道状态信息（CSI），残留的区间干扰甚至存在协调波，这对必威体育官网网址性能有很大的影响。在本文中，我们利用不完全的信道状态信息对物理层安全性进行了统一的性能分析，并派生出遍历安全速率，必威体育官网网址中断概率，以及截取概率的封闭表达式（考虑到信道状态信息的估计精度和发送信号信噪比（信噪比）和信道条件）。我们表达了一些通过渐进分析而得到的必威体育官网网址性能的见解。此外，根据得出的理论结果，我们提出了一种信道状态信息交换量分配方案。最后，仿真验证我们的理论。 关键字：物理层安全 多小区MISO 性能分析 最优准则 Ⅰ.简介 信息安全一直是一个关键的问题，尤其是在无线通信中（由于无线信道的广播特性）。传统上，使用一些复杂的加密技术来实现无线安全。然而，对于这样一个必威体育官网网址技术，需要一个额外的安全通道交换私钥。在移动通信中，很难保证一个安全的私钥交换过程。事实上，安全的通信也可以通过利用无线信道的特性，即，衰落和噪声[ 1 ] [ 3 ]来增强物理层的安全性。因此，物理层安全作为密码系统的补充，可以运用在安全通道的私人密钥交换。物理层安全的本质是最大限度地提高必威体育官网网址能力，可以定义为一个合法的渠道和窃听信道之间的负差异，[ 4 ][ 5 ]。如果多个天线受雇于一个信息源，利用空间自由度（DOFS），我们可以在增加合法信道容量和降低窃听信道容量的同时，显著提高必威体育官网网址能力。因此，物理层安全性与多天线技术已经吸引了大量的关注[ 6 ] [ 8 ]。 得益于先前文献中在多天线系统中的物理层安全性分析上的努力成果[9]。在一个多输入单输出系统必威体育官网网址容量问题被解决，然后问题推广到多输入多输出系统[ 10 ]。由于实际的限制，一个基于合法信道状态完全信息和窃听信道状态部分信息的可以实现的必威体育官网网址系统被提出[ 11 ]???然而，信道状态信息（特别是窃听信道状态信息）很难在源头获得，因为一个被动的窃听者总能找到办法来隐藏自己。由于必威体育官网网址容量由合法窃听信道容量决定的，如果信息源没有窃听信道的状态信息，它是不可能在衰落信道中提供一个稳定的必威体育官网网址率。为此，必威体育官网网址中断概率被作为一个直观的指标，以评估安全性能，这被定义为一个真实的传输速率大于必威体育官网网址容量的概率[ 12 ]。 基于天线选择必威体育官网网址中断概率分别在一个不相关的MIMO系统[ 13 ]和相关的MIMO系统[ 14 ]中进行分析。作者在[ 15 ]中研究了必威体育官网网址中断概率有限的合法信道状态信息。在[ 16 ]中给出了一个对必威体育官网网址中断容量的合法信道状态信息量影响的定量分析。如果源只有合法和窃听者的通道分布相关信息，遍历安全速率是另一种流行的度量来评估安全性能。在高斯MISO信道上的遍历安全速率是在[ 17]中推出的，它表明，在一个多用户多天线下行链路的遍历安全速率可以通过多用户分集增益[ 18 ]得到显著改善。此外，在[ 19 ]中作者根据多用户下行链路的信道状态信息量的有限信道状态信息反馈得到了一个封闭形式的遍历安全速率和速率表达式。此外，拦截概率（窃听信道容量大于合法信道容量的概率）也是一个有用的安全性估量[ 20 ]。 为了进一步提高必威体育官网网址性能，一些先进的传输方案（通常工作在一起的多天线技术）被提出，包括中继[ 21 ]，干扰[ 22 ]，人工噪声[ 23 ]、OFDMA[ 24 ]，和大规模MIMO [ 25 ]。这些计划的目的是开发合法渠道获得收益，因为如果没有窃听的信道状态信息，合法信道性能限制了安全性。直观地说，当一个合法信道的质量相对较低，通常是因为为在一个多小区网络的边缘，由于弱接收的信号和强大的小区间干扰，拦截可能会取得成功。蜂窝网络是最广泛部署的无线网络，它的信息安全是至关重要的。在我们所知，多小区网络的必威体育官网网址性能仍然是一个悬而未决的问题。 在本文中，我们在多小区MISO网络中物理层安全性能分析的问题进行解决。本文的性能分析动机是双重的。首先，它在非常实际的假设下提供了一个简单的和直接的工具来评估多小区MISO下行链路的必威体育官网网址性能，即，没有窃听者的信道状态信息和不完全合法的信道状态信息。其次，它构成了进一步的性能优化的基础。在统计意义上，在基站中我们假设一个实际的多小区MISO下行（无窃听信道状态信息和不完全合法的信道状态信息），它不可能在衰落信道上的所有信道实现提供一个稳定的必威体育官网网址率，我们只能在统计意义上评估必威体育官网网址性能。根据现有的物理层安全性相关研究，统计必威体育官网网址性能指标包括遍历安全速率，必威体育官网网址中断概率，和截获概率，本文进行了一个统一的统计