《電子技術應用》
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平面大規(guī)模天線陣列的竊聽檢測方案
2018年電子技術應用第3期
蘇曉鳳1，陳海華1，2
1.南開大學 電子信息與光學工程學院，天津300350；2．天津市光電傳感器與傳感網絡技術重點實驗室，天津300350
摘要： 物理層安全機制可以為無線通信提供有效的保密機制，為后期保密通信降低系統(tǒng)復雜度。提出了一種基于大規(guī)模平面天線陣列的物理層安全機制，即主動竊聽的檢測方案。該方案針對時分雙工模式下的萊斯信道模型，僅在假設合法用戶萊斯因子和基站噪聲功率已知的情況下，即可有效檢測竊聽用戶。仿真結果表明，所提出的檢測方案性能隨著天線個數、萊斯因子的增加而提高。此外，該方案的性能不隨用戶的位置而改變，可在三維空間全方位地檢測竊聽。
中圖分類號： TN929.5
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173022
中文引用格式： 蘇曉鳳，陳海華. 平面大規(guī)模天線陣列的竊聽檢測方案[J].電子技術應用，2018，44(3)：81-83，88.
英文引用格式： Su Xiaofeng，Chen Haihua. Detection of active eavesdropper in large scale planar arrays[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(3)：81-83，88.
Detection of active eavesdropper in large scale planar arrays
Su Xiaofeng1，Chen Haihua1，2
1.College of Electronic Information and Optical Engineering，Nankai University，Tianjin 300350，China； 2. Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology，Tianjin 300350，China
Abstract： Physical layer security(PLS) is efficient in providing security for wireless communications and in relaxing the complexity of the required cryptographic technologies. A PLS method, i.e. detection of active eavesdropper, using large scale planar arrays is proposed in this paper. The system is assumed to be time division duplex and the channels are of Rician distribution. The proposed method can effectively detect the active eavesdropper by assuming that the K-factor of the channel and the noise variance of the base station are known. Simulation results show that the performance of the proposed method is improved as the number of the antennas or the value of the K-factor is increasing. In addition, the performance of the proposed method is independent of the angle of the users.
Key words : physical layer security；detection of eavesdropping；Massive MIMO；scaled chi-square distribution；scaled noncentral chi-squared distribution

0 引言

    隨著無線通信技術的發(fā)展，人們對數據傳輸速率的要求越來越高。大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(Large Scale Antenna System，或者稱為Massive MIMO)[1]由于諸多性能優(yōu)勢，例如信道更加穩(wěn)定、信道有更好的可預測性、基站與用戶間的信道更趨于正交化、天線增益隨天線數目的增長而線性增長等[2]，在近年來引起了人們廣泛的興趣，Massive MIMO已成為5G通信的關鍵候選技術之一[3]。Massive MIMO是指基站配備上百根甚至更多天線的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于天線個數眾多，在物理層安全方面的也具有相當的優(yōu)勢，即大規(guī)模天線陣列能有效對抗被動竊聽。物理層安全可以為無線通信提供有效的保密機制，可減輕后期保密協(xié)議的復雜度，并對其性能做有效彌補。所謂的被動竊聽，就是竊聽者在竊聽過程中只偵聽合法用戶的傳輸信息，而不采取主動干擾。在Massive MIMO中存在被動竊聽時，系統(tǒng)的保密信道容量仍會隨著天線數量的增加而增加，即Massive MIMO不會受到被動竊聽的影響[1]。在Massive MIMO中竊聽者要實現竊聽目的，必須由被動轉換到主動竊聽模式以攻擊大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)[4]。所謂主動竊聽，就是竊聽者在竊聽過程中為了提高竊聽性能而采取主動干擾。而在時分雙工(Time Division Duplex，TDD)模式下工作的大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的弱點是信道估計階段，主動竊聽可以利用系統(tǒng)的此弱點在信道估計階段發(fā)送與合法用戶相同的導頻序列，使基站無法準確地區(qū)別合法用戶與竊聽用戶，基站將會把要發(fā)送給合法用戶的信息也同時發(fā)送給竊聽用戶。如今的通信不再只是電話或者收發(fā)消息類通信，支付寶、微信支付等一系列網上支付已成為日常支付工具，確保無線通信安全顯得越來越重要。Massive MIMO中有效地檢測主動竊聽是目前有待解決的一個重要問題。文獻[5]給出了導頻序列的研究，但未討論大規(guī)模天線陣列的情況，也未給出檢測竊聽方案。文獻[6]給出了基于導頻序列檢測主動竊聽方案，但是該方案需要特定的導頻序列才能檢測。

    為了解決上述問題，本文提出了大規(guī)模天線陣列中檢測主動竊聽的具體方案。該方案考慮萊斯信道下工作在TDD模式下的大規(guī)模平面天線陣列。本文提出的竊聽檢測方案無需設計特定導頻，只需知道合法用戶萊斯因子及基站接收噪聲功率，即可根據在基站處接收到的信號，構建判決對象，設定判定值，檢測竊聽是否存在。仿真結果顯示，該檢測方案性能不受竊聽用戶位置改變的影響，且系統(tǒng)的檢測性能隨著天線數量的增加而提高。

1 系統(tǒng)模型

    本文所研究的系統(tǒng)模型如圖1所示，其中基站(Base Station，BS)和合法用戶(Legitimate User，LU)工作在TDD模式下。假設該系統(tǒng)中存在竊聽用戶(Eavesdropper，ED)?；静捎肕×N的均勻平面天線陣列，合法用戶和竊聽用戶分別配備單個天線。另外，本文研究的系統(tǒng)處于萊斯信道中，分別用hLU和hED表示基站與合法用戶、竊聽用戶之間的信道。上述信道可表示為[7]：

    tx1-gs1-2.gif

tx1-t1.gif

其中，KLU和KED是萊斯信道K因子，即主信號的功率與多徑分量的方差之比[8]；hUM與hEM分別代表基站與合法用戶、竊聽用戶之間萊斯信道的確定性分量；而hUR和hER則代表相應的隨機分量，兩者皆服從均值為0、協(xié)方差矩陣為I的復高斯分布，即hi～CN(0，I)，i=UR，ER，且不同用戶的隨機分量彼此獨立。本文中基站采用均勻矩形天線陣列，其萊斯信道的確定性分量hUM和hEM可分別表示為[9]：

tx1-gs3-6.gif

    式(5)和式(6)中假設天線的行、列間距均為載波波長的一半。

    在TDD通信模式中，基站為了實現與合法用戶間的相干下行傳輸，需要通過訓練序列對信道進行估計。在訓練階段，合法用戶向基站發(fā)送一系列的導頻信號用于信道估計。設合法用戶的發(fā)射功率為pLU，當無主動竊聽用戶時，基站收到的信號可表示為：

tx1-gs7-10.gif

2 檢測方案

    根據式(9)和式(10)可知，基站接收到的信號在竊聽用戶存在和不存在時具有明顯的差異，因而本文據此提出一種竊聽用戶的檢測方案，該方案假設合法用戶的萊斯系數KLU和基站噪聲功率NBS可以由參數估計得到，且該檢測由基站完成。在檢測中，設pLU=1，pED=1，基站由接收到的信號r構建檢測對象：

tx1-gs11-12.gif

    因此，μ的設定應稍大于1，μ值的設定將會直接影響到檢測效果。

    由式(8)和(11)可以看出，當不存在主動竊聽用戶時，t是服從自由度為2MN的縮比卡方分布，即：

tx1-gs13-15.gif

    如圖2所示，第一個仿真例子驗證了萊斯因子K對ROC曲線的影響。在本例中，KLU=KED=-20 dB、-10 dB、0 dB和10 dB。從圖中可以看出，竊聽用戶檢測性能隨著K值的增加而提高，即本文提出的檢測方法在確定性分量占信道系數比重較高時，性能較好。

tx1-t2.gif

    第二個例子是驗證系統(tǒng)檢測性能受天線個數的影響情況。圖3顯示了天線個數為100、200、500和900的ROC曲線。從圖中可以看出，系統(tǒng)的檢測性能隨著天線個數的增加顯著提高，因而大規(guī)模天線陣列有助于提高系統(tǒng)性能。

tx1-t3.gif

tx1-t3-x1.gif

tx1-t4.gif

4 結論

    本文針對萊斯信道中時分雙工系統(tǒng)提出了一種檢測主動竊聽用戶的方法。該系統(tǒng)基站配備大規(guī)模平面矩形陣列天線，合法用戶和竊聽用戶分別配備一個天線。本文首先將二維信道模型轉換為一維向量模型，從而簡化了萊斯信道下的平面天線陣列問題。其次，根據基站接收的信號特點，構建了檢測對象。該檢測對象在無主動竊聽用戶時服從縮比卡方分布，而在有主動竊聽用戶時服從非中心縮比卡方分布，因而可以得出誤判概率及檢測概率的閉式表達式。由誤判及檢測概率表達式可知，該方案只需估計萊斯信道因子和基站噪聲功率，且兩者均不依賴于用戶所處的空間方位，因而該方法可有效檢測三維空間的所有竊聽用戶。仿真結果表明，本文提出的竊聽檢測方案性能隨著天線的數量和萊斯因子的增加而提高，因而適用于大規(guī)模天線陣列。

參考文獻

[1] RUSEK F，PERSSON D，LAU B K，et al.Scaling up MIMO：Opportunities and challenges with very large arrays[J].IEEE Signal Processing，2013，30(1)：40-60.

[2] KAPETANOVIC D，ZHENG G，RUSEK F.Physical layer security for Massive MIMO：An overview on passive eaves-dropping and active attacks[J].IEEE Communications Magazine，2015，53(6)：21-27.

[3] LARSSON E G，EDFORS O，TUFVESSON F.Massive MIMO for next generation wireless systems[J].IEEE Communication Magazine,2014，52(2)：186-195.

[4] KAPETANOVIC D，AL-NAHARI A，STOJANOVIC A.Detection of active eavesdroppers in Massive MIMO[C].2014 IEEE 25th International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,2014：585-589.

[5] ZHOU X，MAHAM B，HJ?準RUNGNES A.Pilot contamination for active eavesdropping[J].IEEE Trans. on Wireless Communication，2012，11(3)：903-907.

[6] KAPETANOVIC D，ZHENG G，WONG K K，et al.Detection of pilot contamination attack using random training and massive MIMO[C].IEEE 24th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications：Fundamentals and PHY Track，2013：13-18.

[7] JIN S，TAN W，MATTHAIOU M，et al.Statistical eigen mode transmission for the MU-MIMO downlink in Rician fading[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2015，14(12)：6650-6663.

[8] 王朕，王萍，熊駭韜.萊斯衰落信道的K值估計與測量[J].數據采集與理，2001，24(1)：109-113.

[9] LI X，JIN S，SURAWEERA H A，et al.Statistical 3-D beamforming for large-scale MIMO downlink systems over rician fading channels[J].IEEE Transactions on Communications，2016，64(4)：1529-1543.



作者信息:

蘇曉鳳1，陳海華1，2

（1.南開大學 電子信息與光學工程學院，天津300350；2．天津市光電傳感器與傳感網絡技術重點實驗室，天津300350）

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