一種多天線的無線數(shù)字視頻聽覺算法

一種多天線的無線數(shù)字視頻聽覺算法

1竊密信道模型在無線通信系統(tǒng)中，由于無線通信通道的開放，信息很容易被除非合法用戶外的其他用戶獲取。然而，傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)通常模仿線性通信系統(tǒng)的方法來確保信息安全。例如，對于高級信源事件，密鑰加密或用戶認證，但通信雙方必須具有相同或相關(guān)的密鑰。傳統(tǒng)的同步擴展技術(shù)是另一種確保信息安全傳輸?shù)姆椒?，但接收方必須知道同步擴展序列。無論采用何種方法，密鑰和跳擴頻序列信息的披露都直接導致上述秘密通信方法的失敗。近年來,一些學者針對無線信道的特點,提出了利用信道互易性在物理層進行保密通信的思路并取得了一定的進展.其基本思想為,利用無線信道的互易性和獨有性,使得合法用戶的通信質(zhì)量優(yōu)于非法用戶.Wyner以及Csisz′ar等最早提出了竊密信道(wiretapchannel)模型,認為只要主信道條件優(yōu)于竊密信道,有可能使得保密容量不為零,這里保密容量被定義為在竊密者不能解出任何信息的前提下,所能達到的最大傳輸速率.文獻討論了Gauss白噪聲信道中,當主信道的信道容量大于竊密信道的信道容量時,保密容量等于兩信道容量之差.這意味著當主信道噪聲干擾大于竊密信道噪聲干擾時,保密容量為零,即不可能實現(xiàn)無泄密的傳輸.Goel從降低竊聽者信號質(zhì)量的角度出發(fā),在基站端發(fā)射人工噪聲,降低竊聽用戶的信噪比,從而增大了合法用戶信道和竊密信道的容量差,提高保密容量.文獻進一步研究了人工噪聲方法中,用于發(fā)射保密信息和人工噪聲的功率最優(yōu)分配以及衰落信道環(huán)境下人工噪聲方法遍歷保密容量的下界.Li等則提出在基站端多天線隨機加權(quán)發(fā)射信號,造成星座圖在竊聽用戶處隨機快速變化從而無法解調(diào),獲得低截獲率.文獻推導了MISOME信道保密容量的閉式表達,并討論了大信噪比和天線數(shù)無窮多情況下的保密容量的極限.Mahdavifar等在文獻中利用極化編碼提出了一種針對二元對稱離散無記憶信道的信道編碼方案,該方案可使Wyner的竊密信道模型獲得保密容量.本文通過對文獻[4～8]的研究發(fā)現(xiàn),文獻中提出的人工噪聲法和天線陣列隨機加權(quán)法的共同實質(zhì)均是利用波束形成技術(shù),在合法用戶方向的波束中發(fā)送保密信息:而在其他波束中發(fā)送加性干擾,在保證合法用戶的接收性能前提下達到降低竊聽用戶信噪比的效果.據(jù)此,本文建立了基于空域加擾保密通信方法的統(tǒng)一數(shù)學模型,將前述兩種方法統(tǒng)一到同一的系統(tǒng)框架下.基于此模型,本文研究發(fā)現(xiàn)當竊聽用戶使用比基站更多的天線時,有可能破解前述兩種保密通信機制達到信息竊取.由于基站天線數(shù)目所限,發(fā)送干擾的波束個數(shù)是有限的.當竊聽用戶采用更多的天線接收時,就有可能分離信號和干擾,前述兩種保密通信方法的保密容量將會大大降低.本文利用通信信號的有限碼集特性,在竊聽用戶端使用一種類似MUSIC的通信信號盲估計算法完成了信號和干擾的分離,達到竊取保密信息的效果,仿真驗證了上述結(jié)論.下文論述中,T和H分別表示取矩陣轉(zhuǎn)置和共軛轉(zhuǎn)置,·表示取向量的2范數(shù),向量除做特殊說明外均默認為列向量.2ce與eve信號模型本文討論的保密無線通信模型如圖1所示,基站端Alice向合法用戶Bob發(fā)送信息,但遭到非法用戶Eve的竊聽.Alice使用Na根天線,合法用戶Bob使用單天線,竊聽用戶Eve使用Ne根天線.Eve只是被動地接收Alice發(fā)出的信息不做主動發(fā)射,Alice無法獲知Eve的信道參數(shù),也就很難使用波束專門對其形成零陷或加入干擾.Alice到Bob的信道可以表示為如下一個Na維的行向量:而Alice到Eve的信道可以表示為一個Ne×Na的矩陣:假設(shè)所有信道都是分塊衰落的,即在發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀的間隔內(nèi),信道是準靜態(tài)的,不同數(shù)據(jù)幀之間信道增益系數(shù)獨立同分布.Alice利用多天線技術(shù)在時刻n發(fā)射信號矢量x(n),則Bob和Eve收到的信號分別為式中nB(n)和nE(n)分別是Bob和Eve天線上接收到的加性Gauss噪聲信號.實現(xiàn)保密無線通信的目標是要保證Alice發(fā)送給Bob的保密信息不能被Eve獲取,即Eve不能由接收到的信號yE(n)獲得發(fā)射信號x(n)的準確估計.3空域加擾保障通信安全的基本原理保密通信之前,Bob可通過公共信道向Alice請求通信,發(fā)送訓練符號序列用于Alice完成上行信道hBA的估計.對于TDD系統(tǒng),根據(jù)信道互易原理,Alice可以獲得她到Bob的下行的信道hAB.Alice不發(fā)射訓練序列,Bob無法估計出hAB,Eve也無法獲知HAE.利用發(fā)射多天線技術(shù)進行空域加擾保障通信安全的基本思路為:Alice根據(jù)獲得的合法用戶信道信息hAB進行空域預均衡,將波束主瓣對準Bob使得Bob無需估計信道即可直接判決完成信號解調(diào).與此同時,Alice利用發(fā)端多天線剩余的自由度在與hAB正交的方向上發(fā)送人工干擾,惡化竊聽信道,使得Eve的信噪比嚴重降低,不能準確解調(diào)信號.本節(jié)首先簡單介紹已提出的兩種典型的空域加擾保障通信安全的方法,然后推導二者統(tǒng)一的數(shù)學模型,最后分析這兩種方法物理實質(zhì)上的共性.3.1無線信號網(wǎng)絡(luò)上的人工噪聲信號模型Alice獲得信道hAB后,令Z為hAB零空間的一組標準正交基,滿足hABZ=0.由于hAB的秩為1,Z中含有Na-1個正交矢量,Z=[β1,β2,...,βNa-1].在n時刻,Alice按如下方式在發(fā)射端產(chǎn)生位于hAB零空間的人工噪聲噪聲向量Q(n)是由Z中列向量經(jīng)線性組合得到,組合系數(shù)ak(n)隨時間獨立變化且服從Gauss分布CN(0,σa2).顯然,Q(n)中元素也服從零均值Gauss分布,此即人工噪聲方法得名的由來.Alice發(fā)射疊加了人工噪聲后的信號表示成矩陣形式為uf8eeuf8f9其中s(n)是需要保密傳輸?shù)男畔⒈忍胤?w1是s(n)的發(fā)射波束形成向量.在文獻中為了獲得最大保密容量,w1可取(7)式的發(fā)射信號模型表明,Alice在指向Bob的波束w1上發(fā)射保密信號而在竊聽用戶潛在的方向,如β1,β2,...,βNa-1上,發(fā)送人工噪聲.由于hAB與βk正交,所以這些波束上的噪聲信號不影響B(tài)ob的接收性能.而Bob和Eve由于空間地理位置的不同,無線信道hAB和HAE的相關(guān)性很小,HAE中行矢量與βk沒有確定的正交性,在波束β1,β2,...,βNa-1方向上發(fā)射的人工噪聲信號將嚴重降低Eve端的信噪比,當Ne<Na時,Eve無法消除干擾噪聲解調(diào)保密信息.整個通信系統(tǒng)的保密容量是合法用戶信道容量與竊聽信道容量的差值,Eve接收到的人工噪聲使其信噪比降低,竊聽信道容量減小,系統(tǒng)保密容量得以增加.3.2等效信道hael2n的設(shè)計當基站端Alice采用多天線時,對n時刻需要保密傳輸?shù)男畔⒎杝(n)乘以加權(quán)系數(shù)向量w2(n),類似發(fā)射波束成形.Alice發(fā)射信號為了在合法用戶處達到同相合并的效果,加權(quán)向量滿足如下約束:該算法的出發(fā)點是使合法用戶Bob的等效信道在一個數(shù)據(jù)幀內(nèi)恒定不變,而竊聽用戶的等效信道HAEw2(n)在每個碼元間隔n隨機變化.Alice可按下述方法設(shè)計w2(n)中元素:選定閾值α,隨機選取hAB中滿足|hi|>α的某一元素.假定第i根天線上的信道增益hi被選中,w2(n)中除去與hi對應的第i個元素wi外,剩余的Na-1個元素wj(j=i)隨機獨立產(chǎn)生,并且wjs(n)服從分布CN(μws,σ2ws),而權(quán)系數(shù)wi則由約束式(10)計算得到,即可完成w2(n)的設(shè)計.這種方法可以理解為通過時變的波束形成,在保證Bob處等效信道不變的同時,在Eve處生成等效的時變信道,使得Eve的接收信號星座圖被人為隨機置亂無法解調(diào),Alice達到安全傳輸保密信息獲得低截獲率的目的.3.3人工噪聲法與天線陣列隨機加權(quán)方法的對比上文對已提出的在物理層保障通信安全的兩種算法都做了介紹,表面上看來天線陣列隨機加權(quán)法與人工噪聲的加擾機理很不相同,下文將對兩種方法通過建立統(tǒng)一的數(shù)學模型來揭示二者的共同的物理實質(zhì).對(9)式按以下方式處理其中rk(n)為線性表出的系數(shù),將(12)式代入(11)式得Alice端發(fā)射信號為表示成矩陣形式為下面分析s2(n)中元素rk(n)(k=1,2,...,Na-1)的分布,對(12)式兩邊同時左乘βkH得對于分塊衰落信道,在一個數(shù)據(jù)幀間隔內(nèi)hAB,βHk中元素均保持不變,由于wjs(n)～CN(μws,σ2ws),所以服從分布.因此rk(n)中包含了Gauss噪聲和泄露的信息比特分量.在人工噪聲方法中為了獲得最大保密容量,w1取值.此時對比(7)式和(14)式,兩種方法的波束成形矩陣W和完全一致,發(fā)射信號矢量的元素均是由信息比特和Gauss分布的人工干擾構(gòu)成.略有不同的是天線陣列隨機加權(quán)方法中,在其他波束方向發(fā)射的信號中泄露了一定量的保密信息,當|hi|取值較大時泄露的這部分信號能量較小.二者共同的物理實質(zhì)是Alice利用多天線在空域經(jīng)波束方向控制矩陣形成Na個波束,其中在主波束方向上傳遞信息比特符號s(n),在其他波束βk方向傳送一定量的人為隨機干擾,而隨機干擾對合法用戶形成零陷.這樣Bob能正確解調(diào),而Eve處由于信噪比極低而無法解調(diào)獲取信息.由于人工噪聲法和天線陣列隨機加權(quán)方法的相似性,都是基于發(fā)射多天線進行空域人為干擾的思路,現(xiàn)采用統(tǒng)一的模型和符號來表達.Alice發(fā)射信號其中s(n)是發(fā)射信號矢量,元素s1(n)是需要保密傳輸?shù)男畔⒈忍胤?sk(n)(2kNa)是獨立同分布的Gauss干擾或是疊加了一定量保密信息的Gauss干擾.當s(n)=s1(n)時,(17)式表示人工噪聲法;當s(n)=s2(n)時,(17)式表示天線陣列隨機加權(quán)法.發(fā)射信號x(n)經(jīng)無線信道傳播后,由(3)式和(4)式得到Bob和Eve分別接收到的信號為合法用戶Bob可以采用最大似然準則解調(diào),由下式獲得保密信息比特在Na>Ne時,竊聽用戶Eve沒有足夠的自由度去跟蹤s(n)中干擾項的變化,而且HAE和W在不同數(shù)據(jù)幀間隨機變化,無法采用CMA等盲均衡算法截獲保密信息.理論分析和仿真結(jié)果都表明當Na>Ne時,上述兩種方法能獲得一定的保密容量和低截獲率[4～8],有效保障Alice到Bob下行鏈路的信息傳輸安全.4eve估計結(jié)果當竊聽用戶使用單天線或者滿足Na>Ne時,上述利用基站多天線技術(shù)進行發(fā)射波束成形的保密通信方法已被證明是有效的.但是當網(wǎng)絡(luò)中存在相當多的竊聽用戶將竊聽到的信息融合等效于NeNa,或者竊聽用戶本身的無線接收設(shè)備就滿足NeNa,上述基于空域加擾的通信機制將不能提供通信安全.其根本原因在于,基站多天線可以生成時域的白噪聲,但受發(fā)射天線個數(shù)的限制,就只能生成空域的色噪聲,即定向干擾.只要非法用戶端接收天線個數(shù)大于干擾個數(shù),即可通過干擾抑制方法恢復出基站發(fā)送的保密信號.文獻對人工噪聲方法的保密容量進行了分析,其結(jié)論“在信噪比和天線數(shù)都趨于無窮大的極限情況下,比值Ne/Na大于1時,人工噪聲法的保密容量存在非負上界;比值Ne/Na大于2時,保密容量為零”印證了上述分析.下面給出的一種MUSIC-like盲估計方法可使Eve截獲Alice發(fā)送的保密信息比特符號s1(n).竊聽用戶多天線下的接收信號向量由(19)式給出,經(jīng)過波束成形后的等效信道可以表示成Eve接收到的信號(19)式可重寫為上式中Eve盲估計的目標是準確獲得矩陣S第一行中K個信息比特符號,而不用去估計等效信道H.對(22)式兩邊取轉(zhuǎn)置問題轉(zhuǎn)化為對ST中第一列K個元素的估計,令b=[s1(1),s1(2),...,s1(K)]T為待估計的保密信息向量,對YET進行SVD分解當NeNa且K>Na時,Us張成了Na維信號子空間,Un張成了K-Na維噪聲子空間并且與ST中列向量b正交為了利用(28)式搜索b的估計b,可以構(gòu)建如下代價函數(shù):當恰是Alice發(fā)送的K個保密信息序列b的準確估計時,取得最大.因而,當Alice的發(fā)射信號采用BPSK,QPSK等有限碼符號集的調(diào)制方式時,Eve可以按(29)式對的所有可能情況遍歷,搜索峰值即可對b完成盲估計.算法的復雜度雖然會隨著K按指數(shù)增加,但一方面在空域加擾的保密通信機制下,由于Alice的發(fā)射天線個數(shù)有限,K值無需取得過大即可滿足K>Na;另一方面作為竊聽用戶,可以采用并行計算的方式減少運算時間,有效截獲保密信息.5eve誤差估計對上文提出的Eve盲估計竊密方法,給出仿真驗證,并討論參數(shù):Eve接收天線數(shù)Ne、信噪比SNR,以及Alice分塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長K、人工干擾功率等對Eve誤碼率的影響.這里信干比SIR被定義為Alice發(fā)射信息比特的功率與人工干擾功率的比值,SIR越大,人工干擾功率相對越小.本文分別對前述的人工噪聲和天線陣列隨機加權(quán)這兩種空域加擾的保密通信機制采用MUSIC-like解密方法進行信息竊取仿真.仿真實驗采用平衰落瑞利信道,HAE中元素是獨立同分布的零均值、單位方差的復Gauss隨機變量,并且在一個數(shù)據(jù)幀持續(xù)期內(nèi)保持不變,不同數(shù)據(jù)幀間獨立變化.Alice采用4根天線發(fā)射信號,Eve分別采用6根和8根天線竊聽,每根竊聽天線上的接收噪聲相互獨立且服從零均值單位方差復Gauss分布.發(fā)送100000幀數(shù)據(jù)進行測試,幀長K分別取值6和9,信號調(diào)制方式為BPSK.當Ne=8時,Alice端等功率發(fā)送信息比特符號s1(n)和人工干擾si(n)(2iNa),Eve盲估計的性能如圖2(a)所示.從圖中可以看出,無論Alice采用人工噪聲方法(記為AN)還是天線陣列隨機加權(quán)法(記為Li)進行保密通信時,Eve均可以采用本文提出的MUSIC-like算法獲得較低的誤碼率,且誤碼率性能基本一致.另外,Eve處信噪比越大