CN111884691B - 低精度大规模天线系统中面对导频攻击的安全传输方法 - Google Patents

低精度大规模天线系统中面对导频攻击的安全传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低精度大规模天线系统中面对导频攻击的安全传输方法，包括：1)基于加性量化噪声模型得到配备低精度ADC的基站在导频攻击威胁下的信道估计结果；2)基于信道估计值，设计下行传输预编码和人工噪声，并基于加性量化噪声模型得到低精度DAC量化后的发射信号；3)通过分析天线数趋于无穷大时的安全传输速率，得到能使安全传输速率最大化的有用信号和人工噪声功率分配方案。本发明综合考虑了导频攻击、低精度ADC和低精度DAC对大规模天线系统安全传输的影响，并通过功率分配实现在不同量化精度下的安全传输速率最大化。

Description

低精度大规模天线系统中面对导频攻击的安全传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及低精度大规模天线系统中面对导频攻击的 安全传输方法。
背景技术
大规模天线是5G网络中的一项关键技术，得益于几十至上百根天线带来的阵列增益和高空间复用性，系统容量可以得到大幅提升。然而，若每根天线所对应的射频电路 均配备高精度模数转换器(ADC)和高精度数模转换器(DAC)，整个系统的造价和能 耗将会非常之大，严重影响大规模天线技术的普及性。因此，本文考虑配备低精度ADC 和DAC的大规模天线通信系统。此外，反向信道估计也是大规模天线系统中常用的信道 估计方法，即用户发射导频，基站端进行信道估计。然而，这种信道估计方法面临的重 大安全威胁是导频欺骗攻击，即窃听者通过发送与合法用户相同的导频从而污染基站端 估计出的合法用户信道，诱使下行波束偏向窃听者。目前为止已有不少工作分别研究了 配备低精度ADC和DAC的大规模天线系统安全性能，以及导频欺骗攻击下大规模天线 系统的安全性能，但较少有关于低精度ADC和DAC对导频欺骗攻击下系统安全性能影 响的研究。
因此，低精度大规模天线系统中面对导频攻击的安全传输研究是一项具有重要研究意义 的工作。
发明内容
针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种低精度大规模天线系统中面对导 频攻击的安全传输方法，能够最大化安全传输速率。
为达到以上目的，本发明的技术方法为：
低精度大规模天线系统中面对导频攻击的安全传输方法，包括以下步骤：
1)基站配备Nt根天线，每根天线配备低精度ADC(模数转换器)和低精度DAC(数 模转换器)；基站同时服务K个单天线用户，其中用户k被窃听者k窃听；K个用户同时 发送长度为τ的导频，窃听者k也发送与用户k相同的导频进行导频攻击，基站基于接收 到的经过低精度ADC量化的导频信号进行信道估计；
2)基站根据估计出的信道信息，采用匹配滤波预编码和随机人工噪声进行下行信号 传输；
3)基站设计的信号经过低精度DAC量化后进行发送，建立用户k和窃听者k处的遍历速率分析模型，从而计算用户k的安全传输速率；
4)基站对功率分配因子θ进行优化，以最大化用户k的安全传输速率。
所述步骤1)具体为：
a、用户k以功率Pp发射导频
Figure BDA0002579445630000021
窃听者k以功率Pe发射导频
Figure BDA0002579445630000022
基站接收到的未经ADC量化的信号
Figure BDA0002579445630000023
为：
Figure BDA0002579445630000024
其中hk代表基站与用户k之间的信道，he,k代表基站与窃听者k之间的信道，Np表示信道 估计阶段基站的接收机基底噪声；
b、信号
Figure BDA0002579445630000025
经低精度ADC量化后，含有量化噪声的有效信号Yp为：
Figure BDA0002579445630000026
其中
Figure BDA0002579445630000027
表示对
Figure BDA0002579445630000028
进行量化操作，αA为量化耗损因子，αA取决于ADC的量化精度，Qp＝[qp,1,…,qp,τ]为ADC量化噪声，其中qp,i,i＝1,...,τ的方差为：
Figure BDA0002579445630000029
其中，
Figure BDA00025794456300000210
Figure BDA00025794456300000211
为
Figure BDA00025794456300000212
的第i列，diag(A)表示只保留矩阵A 的对角线元素且非对角线元素置0；
C、基站基于Yp进行信道估计，具体的，基站与用户k之间信道估计值为：
Figure BDA00025794456300000213
Figure BDA00025794456300000214
为
Figure BDA00025794456300000215
的共轭，
Figure BDA00025794456300000216
则
Figure BDA00025794456300000217
的方差为
Figure BDA00025794456300000218
所述步骤2)具体为：
基站根据估计信道值
Figure BDA00025794456300000219
设计下行传输信号，具体的，Pd表示基站总发射 功率，θ为功率分配因子，则未经DAC量化的下行传输信号为：
Figure BDA0002579445630000031
其中，
Figure BDA0002579445630000032
W的每一列为随机生成的模值为1的向量，z为 Nt-K维列向量且每一维服从独立的标准正态分布。
所述步骤3)具体为：
a、
Figure BDA0002579445630000033
经低精度DAC量化后，基站最终发送信号为：
Figure BDA0002579445630000034
其中，αD取决于DAC的量化精度，qd为DAC量化噪声，qd的方差为
Figure BDA0002579445630000035
其中，HT为矩阵H的转置矩阵，WH为矩阵W的共轭转置矩阵；
b、由于没有下行信道训练，用户k只有统计信道状态信息，因此当天线数趋于无穷时其各态历经速率为：
Figure BDA0002579445630000036
c、考虑对安全最不利的情况，即窃听者完美知道信道信息，且可以完美消除用户间 干扰，则当天线数趋于无穷时窃听者k的各态历经速率为：
Figure BDA0002579445630000037
其中
Figure BDA0002579445630000038
d、当天线数趋于无穷时，用户k的安全传输速率为
Figure BDA0002579445630000039
所述步骤4)具体为：
令
Figure BDA00025794456300000310
可得到使安全传输速率最大化的最优功率分配因子为
Figure BDA0002579445630000041
其中，
Figure BDA0002579445630000042
c1＝K(Pd+1)2，
Figure BDA0002579445630000043
c2＝Pd+1。
与现有技术比较，本发明的有益效果为：
本发明公开了一种低精度大规模天线系统中面对导频攻击的安全传输方法，所提出 的最优功率分配方案可以最大化安全传输速率；所提出的方案综合考虑了导频攻击、低精 度ADC和低精度DAC对安全传输带来的影响，可以在不同量化精度下实现安全传输速 率的最大化；仿真实验表明，我们所提出的功率分配方法可以最大化安全传输速率。
附图说明
图1是本发明的系统模型图；
图2是对本发明中用户k在天线数趋于无穷时各态历经速率表达式的仿真验证；
图3是对本发明中窃听者k在天线数趋于无穷时各态历经速率表达式的仿真验证；
图4是本发明中在不同ADC精度下，安全传输速率随功率分配因子的变化曲线；
图5是本发明中在不同DAC精度下，安全传输速率随功率分配因子的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
本发明考察配备低精度ADC和DAC的大规模天线系统在导频攻击威胁下的下行信号传输，如图1所示。基站配备Nt根天线，每根天线配备低精度ADC(模数转换器)和 低精度DAC(数模转换器)；基站同时服务K个单天线用户，其中用户k被窃听者k窃听； K个用户同时发送长度为τ的导频，窃听者k也发送与用户k相同的导频进行导频攻击。 针对以上系统模型，本发明的主要步骤包括：
1)基于加性量化噪声模型，推导出配备低精度ADC的基站所估计出的信道信息；
2)基站根据估计出的信道信息，采用匹配滤波预编码和随机人工噪声进行下行信号 传输；
3)基站设计的信号经过低精度DAC量化后进行发送，建立用户k和窃听者k处的遍历速率分析模型，从而计算用户k的安全传输速率；
4)基站对功率分配因子θ进行优化，以最大化用户k的安全传输速率。
所述步骤1)具体为：
a、用户k以功率Pp发射导频
Figure BDA0002579445630000051
窃听者k以功率Pe发射导频
Figure BDA0002579445630000052
基站接收到的未 经ADC量化的信号
Figure BDA0002579445630000053
为：
Figure BDA0002579445630000054
其中hk代表基站与用户k之间的信道，he,k代表基站与窃听者k之间的信道，Np表示信道估计阶段基站的接收机基底噪声；
b、信号
Figure BDA0002579445630000055
经低精度ADC量化后，基于加性量化噪声模型理论，含有量化噪声的有效信号Yp可以表示为：
Figure BDA0002579445630000056
其中
Figure BDA0002579445630000057
表示对
Figure BDA0002579445630000058
进行量化操作，αA为量化耗损因子，αA取决于ADC的量化精度，Qp＝[qp,1,…,qp,τ]为ADC量化噪声，其中qp,i,i＝1,...,τ的方差为：
Figure BDA0002579445630000059
其中，
Figure BDA00025794456300000510
Figure BDA00025794456300000511
为
Figure BDA00025794456300000512
的第i列，diag(A)表示只保留矩阵A 的对角线元素且非对角线元素置0；
C、基站基于Yp进行信道估计，具体的，基站与用户k之间信道估计值为：
Figure BDA00025794456300000513
Figure RE-GDA00026565092900000514
为
Figure RE-GDA00026565092900000515
的共轭，
Figure RE-GDA00026565092900000516
则
Figure RE-GDA00026565092900000517
的方差为
Figure RE-GDA00026565092900000518
所述步骤2)具体为：
基站根据估计信道值
Figure BDA00025794456300000518
设计下行传输信号，具体的，Pd表示基站总发射 功率，θ为功率分配因子，则未经DAC量化的下行传输信号为：
Figure BDA00025794456300000519
其中，
Figure BDA0002579445630000061
W的每一列为随机生成的模值为1的向量，z为 Nt-K维列向量且每一维服从独立的标准正态分布。
所述步骤3)具体为：
a、
Figure BDA0002579445630000062
经低精度DAC量化后，基站最终发送信号为：
Figure BDA0002579445630000063
其中，αD取决于DAC的量化精度，qd为DAC量化噪声，qd的方差为
Figure BDA0002579445630000064
其中，HT为矩阵H的转置矩阵，WH为矩阵W的共轭转置矩阵；
b、由于没有下行信道训练，用户k只有统计信道状态信息，因此其各态历经速率为：
Figure BDA0002579445630000065
其中，
Figure BDA0002579445630000066
Figure BDA0002579445630000067
Figure BDA0002579445630000068
代表变量x的期望，Var(x) 代表变量x的方差；
当天线数趋于无穷时，用户k的各态历经速率为：
Figure BDA0002579445630000069
c、考虑对安全最不利的情况，即窃听者完美知道信道信息，且可以完美消除用户间 干扰，则窃听者k的各态历经速率为：
Figure BDA00025794456300000610
其中，
Figure BDA00025794456300000611
Figure BDA00025794456300000612
Figure BDA00025794456300000613
代表变量x的期望；
当天线数趋于无穷时，窃听者k的各态历经速率为：
Figure BDA0002579445630000071
其中
Figure BDA0002579445630000072
d、当天线数趋于无穷时，用户k的安全传输速率为
Figure BDA0002579445630000073
所述步骤4)具体为：
令
Figure BDA0002579445630000074
可得到使安全传输速率最大化的最优功率分配因子为
Figure BDA0002579445630000075
其中，
Figure BDA0002579445630000076
c1＝K(Pd+1)2，
Figure BDA0002579445630000077
c2＝Pd+1。
图2为对用户k在天线数趋于无穷时各态历经速率表达式的仿真验证。理论值为
Figure BDA0002579445630000078
仿真值为蒙特卡洛仿真结果，仿真参数为Nt＝128，K＝16，τ＝16，Pp＝Pd＝5dB。观 察此图可以发现，所推导的各态历经速率与蒙特卡洛仿真结果相吻合。
图3为对窃听者k在天线数趋于无穷时各态历经速率表达式的仿真验证。理论值为
Figure BDA0002579445630000079
仿真值为蒙特卡洛仿真结果，仿真参数为Nt＝128，K＝16，τ＝16，Pp＝Pd＝5dB。 观察此图可以发现，所推导的各态历经速率与蒙特卡洛仿真结果相吻合。
图4为本发明中在不同窃听用户分布密度下，安全传输速率随功率分配因子的变化曲 线。星号为采用本发明所提出最优传输方法所能达到的最优解。观察此图可以发现，本 发明所提方法可以最大化安全传输速率，并且随着窃听用户密度的增大，最大传输速率下 降。
图5为本发明中在不同天线数目配置情况下采用最优传输方法所达到的安全吞吐量。 星号为采用本发明所提出最优传输方法所能达到的最优解。观察此图可以发现，本发明所 提方法可以最大化安全传输速率，并且随着总传输信噪比的增大，最大传输速率增加并趋 于定值。
本发明中在不同天线数目配置情况下采用最优传输方法所达到的安全吞吐量。可以发 现，当NR>NE时，安全速率较大，当NR<NE时，安全速率极低。在NR＝NE的情况下， 随着天线数目的增加，安全传输速率增加并趋于定值。

Claims (1)

1.低精度大规模天线系统中面对导频攻击的安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，基站配备Nt根天线，每根天线配备低精度ADC模数转换器和低精度DAC数模转换器；基站同时服务K个单天线用户，其中用户k被窃听者k窃听；K个用户同时发送长度为τ的导频，窃听者k也发送与用户k相同的导频进行导频攻击，基站基于接收到的经过低精度ADC量化的导频信号进行信道估计,具体方法如下：
a、用户k以功率Pp发射导频
Figure FDA0003155649720000011
窃听者k以功率Pe发射导频
Figure FDA0003155649720000012
基站接收到的未经ADC量化的信号
Figure FDA0003155649720000013
为：
Figure FDA0003155649720000014
其中hk代表基站与用户k之间的信道，he,k代表基站与窃听者k之间的信道，Np表示信道估计阶段基站的接收机基底噪声；
b、信号
Figure FDA0003155649720000015
经低精度ADC量化后，含有量化噪声的有效信号Yp为：
Figure FDA0003155649720000016
其中
Figure FDA0003155649720000017
表示对
Figure FDA0003155649720000018
进行量化操作，αA为量化耗损因子，αA取决于ADC的量化精度，Qp＝[qp,1,…,qp,τ]为ADC量化噪声，其中qp,i,i＝1,…,τ的方差为：
Figure FDA0003155649720000019
其中，
Figure FDA00031556497200000110
Figure FDA00031556497200000111
为
Figure FDA00031556497200000112
的第i列，
Figure FDA00031556497200000113
为
Figure FDA00031556497200000114
的共轭转置，diag(A)表示只保留矩阵A的对角线元素且非对角线元素置0，
Figure FDA00031556497200000115
表示对变量x求期望；
C、基站基于Yp进行信道估计，具体的，基站与用户k之间信道估计值
Figure FDA00031556497200000116
为：
Figure FDA00031556497200000117
Figure FDA00031556497200000118
为
Figure FDA00031556497200000119
的共轭，
Figure FDA00031556497200000120
则
Figure FDA00031556497200000121
的方差为
Figure FDA00031556497200000122
步骤2，基站根据估计出的信道信息，采用匹配滤波预编码和随机人工噪声进行下行信号传输,具体方法如下：
基站根据估计信道值
Figure FDA0003155649720000021
设计下行传输信号，Pd表示基站总发射功率，θ为功率分配因子，则未经DAC量化的下行传输信号为：
Figure FDA0003155649720000022
其中，
Figure FDA0003155649720000023
W的每一列为随机生成的模值为1的向量，z为Nt-K维列向量且每一维服从独立的标准正态分布，s为待发送的符号向量；
步骤3，基站设计的信号经过低精度DAC量化后进行发送，建立用户k和窃听者k处的遍历速率分析模型，从而计算用户k的安全传输速率，具体方法如下：
a、
Figure FDA00031556497200000213
经低精度DAC量化后，基站最终发送信号为：
Figure FDA0003155649720000024
其中，αD取决于DAC的量化精度，qd为DAC量化噪声，qd的方差为
Figure FDA0003155649720000025
其中，
Figure FDA0003155649720000026
为矩阵
Figure FDA0003155649720000027
的转置矩阵，
Figure FDA0003155649720000028
为矩阵
Figure FDA0003155649720000029
的共轭，WH为矩阵W的共轭转置矩阵；
b、由于没有下行信道训练，用户k只有统计信道状态信息，因此当天线数趋于无穷时其各态历经速率为：
Figure FDA00031556497200000210
c、考虑对安全最不利的情况，即窃听者完美知道信道信息，且可以完美消除用户间干扰，则当天线数趋于无穷时窃听者k的各态历经速率为：
Figure FDA00031556497200000211
其中
Figure FDA00031556497200000212
d、当天线数趋于无穷时，用户k的安全传输速率为
Figure FDA0003155649720000035
步骤4，基站对功率分配因子θ进行优化，以最大化用户k的安全传输速率，具体方法如下：
令
Figure FDA0003155649720000031
可得到使安全传输速率最大化的最优功率分配因子为
Figure FDA0003155649720000032
其中，
Figure FDA0003155649720000033
c1＝K(Pd+1)2，
Figure FDA0003155649720000034
c2＝Pd+1。
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