丁青鋒,奚韜,楊倩,丁旭
(華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,江西 南昌 330013)
在多輸入多輸出(MIMO,multiple-inpit multiple-output)系統(tǒng)中,空間調(diào)制(SM,spatial modulation)作為一種有效的方法,可以在空間復(fù)用和空間分集之間取得良好的平衡[1]。不同于傳統(tǒng)的MIMO 技術(shù),SM 在每個時隙中僅使用一個有源發(fā)射天線,這意味著只需要一個射頻鏈路就可以大大降低系統(tǒng)的硬件成本[2-3]。同時,SM 系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)健性,可以減少信道間干擾(ICI,inter channel interference),提高能量效率[4]。但是,大部分SM 系統(tǒng)要求發(fā)射天線數(shù)必須為2 的整數(shù)次冪,如果配備自由的發(fā)射天線個數(shù),將需要通過算法選擇出SM 的天線組合。
發(fā)射天線選擇(TAS,transmit antenna selection)通過計算性能指標(biāo)篩選出最優(yōu)的天線組合,能夠有效提高SM 系統(tǒng)的性能,因此成為熱點(diǎn)研究課題[5-10]。文獻(xiàn)[5]首先提出了最優(yōu)容量天線選擇和歐幾里得距離優(yōu)化天線選擇(EDAS,Euclidean distance optimized antenna selection)這2 種TAS 方法,改善了SM 系統(tǒng)的安全容量性能,但是遍歷所有的天線組合給發(fā)射端帶來了很高的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[6]提出了一種新的等效于EDAS 的準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則以矩陣降維為基礎(chǔ),在能夠達(dá)到EDAS 相同性能的同時降低搜索復(fù)雜度。文獻(xiàn)[7]通過對可分解正交振幅調(diào)制符號集合的信道進(jìn)行正交三角分解,可以減少計算漢明距離的次數(shù),從而降低算法的復(fù)雜度。
在考慮竊聽者的場景下,通過加入物理層安全技術(shù)可以大幅度提升系統(tǒng)的安全容量[8]。文獻(xiàn)[9]利用從發(fā)射機(jī)到合法接收機(jī)的信道狀態(tài)信息(CSI,channel state information)來重新定義發(fā)射天線的索引,從而提高系統(tǒng)保密速率(SR,secrecy rate)的性能。文獻(xiàn)[10-11]分析了多天線目的地和竊聽者接收機(jī)空間調(diào)制的SR,通過聯(lián)合信號和干擾傳輸而不需要竊聽者CSI 的典型要求來研究安全速率。文獻(xiàn)[12-13]將人工噪聲(AN,artificial noise)壓縮到所需信道的零空間以干擾未知的竊聽者。文獻(xiàn)[14]基于最大化安全容量設(shè)計AN,首先將AN 矢量安排在合法接收者信道的零空間上;然后利用波束成形技術(shù)將AN 矢量設(shè)計與竊聽者信道共線,以最大化對竊聽者的噪聲。這樣的物理層設(shè)計可以保證在不影響合法接收者的同時,大大降低竊聽者的誤碼率性能[15-16]。文獻(xiàn)[17]將天線選擇算法與人工噪聲技術(shù)結(jié)合,以得到MIMO 系統(tǒng)更好的安全性能。其理論和仿真結(jié)果表明,聯(lián)合天線選擇算法和人工噪聲技術(shù)也能夠有效地增強(qiáng)SM 系統(tǒng)的物理層安全。文獻(xiàn)[18]針對有限字符情況下的安全SM 網(wǎng)絡(luò)提出了2 種新的TAS 方案——基于最大化保密速率(Max-SR,maximum SR)和基于信漏噪比(SLNR,signal to leakage noise ratio)方法的天線選擇算法,其中基于SLNR 的天線選擇方案以極低的復(fù)雜度展現(xiàn)了出色的SR 性能。在文獻(xiàn)[18]的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[19]引入截斷速率,用于進(jìn)一步優(yōu)化功率分配因子,并通過推導(dǎo)截斷速率的上下界作為凸優(yōu)化的函數(shù),基于最大化SLNR 和AN 與泄漏加噪聲比(ANLNR,AN to leakage plus noise ratio)進(jìn)行凸集求解得到功率分配因子。
目前,基于優(yōu)化安全性能的大多數(shù)TAS 方法普遍存在復(fù)雜度高和無法得到功率分配因子解析解的問題,而SLNR 算法的SR 性能在高信噪比區(qū)域不夠好,因此,本文通過直接處理截斷速率(COR,cut-off rate)表達(dá)式用于發(fā)射天線選擇,并求解次優(yōu)功率分配因子從而優(yōu)化SR 性能。首先,經(jīng)過理論推導(dǎo),得到系統(tǒng)COR 的表達(dá)式。然后,基于最大化COR 表達(dá)式提出一種基于COR 天線選擇算法,該算法通過遍歷搜索所有可能的天線組合篩選得到最優(yōu)的發(fā)射天線組合,從而得到最大化的保密速率。另外,針對傳統(tǒng)算法復(fù)雜度較高的問題,本文提出基于列范數(shù)之差的搜索算法,將對應(yīng)于矩陣范數(shù)的遍歷組合問題簡化。所提算法首先對矩陣范數(shù)進(jìn)行按列展開,然后對合法接收者和竊聽者信道對應(yīng)的列范數(shù)作差,篩選出最大差值對應(yīng)的天線,形成最優(yōu)的天線組合,從而極大地降低了復(fù)雜度。同時,將AN 技術(shù)與天線選擇算法相結(jié)合,將AN 矢量映射在合法信道的零空間,從而進(jìn)一步提升安全SM 系統(tǒng)的保密速率。仿真結(jié)果表明,與基于SLNR 和基于Max-SR 這2 種TAS方案相比,本文提出的改進(jìn)的基于COR(ICOR,improved COR)的算法是對閉式表達(dá)式進(jìn)行直接簡化,相比于SLNR 具有更好的SR 性能和相同的低復(fù)雜度。另外,通過簡化之后的閉式表達(dá)式,本文基于SM 系統(tǒng)特殊性計算出對應(yīng)的次優(yōu)功率分配因子,可以實(shí)現(xiàn)更高的SR 和更低的誤碼率(BER,bit error rate)。
考慮在安全空間調(diào)制系統(tǒng)中,發(fā)射端Alice 配備了Nt根發(fā)射天線,合法接收者Bob 具有Nb根接收天線,非法竊聽者Eve 具有Ne根接收天線。當(dāng)Nt不是2 的整數(shù)次冪時,必須從Nt根發(fā)射天線中選擇根天線負(fù)責(zé)發(fā)射調(diào)制符號,以將信息比特全部映射到天線索引序號。根據(jù)排列組合的知識,發(fā)射端總共有種組合模式,記為ψ={ψ1,…,ψk,…,ψL},其中 ψk(k=1,2,…,L)表示所有天線組合中的第k 種組合。在每個時隙中,信息位被分為兩部分,分別包含m 位和n 位。其中,m位用于從發(fā)射天線中選擇一個激活的天線,通過調(diào)制將信息映射為天線的序號。n 位用于從M 進(jìn)制信號星座圖中選擇幅度相位調(diào)制符號??梢缘玫?,頻譜效率為每通道lbNaM=m+n位,其中,lbNa位用來選擇激活天線,其余l(xiāng)bM 位用來選擇星座符號。
人工噪聲和符號需要分別進(jìn)行調(diào)制,并通過天線選擇算法分配給激活的天線。發(fā)射調(diào)制符號的天線帶有天線序號映射,可以承載一部分信息,發(fā)射人工噪聲的天線則不帶有任何信息。發(fā)射端激活第i 根天線發(fā)送的信號矢量記為x,類似于文獻(xiàn)[20]中的安全SM 系統(tǒng)保密傳輸模型,引入AN 后的發(fā)射信號可以表示為
其中,α ∈[0,1]表示發(fā)射符號的功率分配因子,β ∈[0,1]表示發(fā)射 AN 的功率分配因子,滿足α2+β2=1;P 表示總的發(fā)射功率;ei表示單位矩陣的第i 列;表示Na×Na的單位矩陣;bm表示lbM 階星座圖的第m 個輸入符號,bj表示lbM 階星座圖的第j 個輸入符號;TAN表示AN 矢量的投影矩陣;n~CN(0,)表示隨機(jī)AN 矢量。因此,Bob和Eve 的接收信號矢量yb和ye分別表示為
假設(shè)Bob 已知信道矩陣H 的信道狀態(tài)信息,則最大似然檢測(MLD,maximum-likelihood detector)算法如式(4)所示。
本文將AN 投影到合法信道的零空間上,從而使AN 對竊聽者產(chǎn)生影響的同時不干擾到合法接收者接收信號,即HkTAN=0。則AN 投影矩陣 TAN可以表示為[21]
通過TAS 篩選出使SR 最大的天線組合,由于SR 的閉式表達(dá)式難以獲得[22],本文提出一種基于COR 的天線選擇算法。同時,利用基于矩陣范數(shù)之差策略進(jìn)一步降低所提出的算法中天線選擇的運(yùn)算復(fù)雜度。
根據(jù)式(2),yb的條件概率分布函數(shù)可以表示為
由于n 和m 是均勻分布的,因此yb的概率密度函數(shù)可以表示為[23]
對于給定的信道,Alice 和Bob 之間的瞬時互信息可以寫成如式(9)所示的形式。
類似地,Eve 端能夠獲得的互信息為
其中,W 是式(3)中ye的最后兩項的協(xié)方差矩陣,為帶有的新噪聲矢量。
對于式(6)而言,由于n 是時變的干擾項,因此MLD 算法的檢測性能會大大降低。利用平均保密速率來衡量系統(tǒng)的安全性能,可以表示為[24]
由于缺少SR 的閉式表達(dá),因此很難直接通過TAS 方法設(shè)計有效的最大SR 方法。盡管研究人員提出了一些傳統(tǒng)的方法來提高SM 系統(tǒng)的性能,但是高復(fù)雜度限制了其在實(shí)際SM 系統(tǒng)中的應(yīng)用。鑒于此,應(yīng)用于傳統(tǒng)MIMO 系統(tǒng)的具有緊密形式的COR 可以借鑒于SM 系統(tǒng)中,即采用一種通過基于最大COR的方案作為最大化SR 的有效指標(biāo)[25],如式(16)所示。
式(17)可以視為Bob 與Alice 互信息的有效下限。利用式(2)和式(9),yb的條件概率密度函數(shù)可以表示為
將式(18)代入式(17)中,經(jīng)過推導(dǎo),得到Bob的瞬時截斷速率的閉式表達(dá)式為
其中,Wb是式(2)中的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣。根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果,得到類似的Eve 瞬時截斷速率的表達(dá)式為
其中,We是式(3)中的干擾加噪聲協(xié)方差矩陣。一旦獲得了發(fā)射天線組,就可以使用式(15)評估SR。由于和是Hk和Gk的函數(shù),因此可以選擇一個最大的TAS 方案,該方案可以轉(zhuǎn)換為
其中,Hk、Gk與所選的TAS 模式有關(guān)。通常最大SR 可以通過窮舉搜索獲得,并使發(fā)射端獲得選擇為最佳TAS 模式的最大SR 性能。
COR 算法只是對SR 做了近似,但是其仍然需要遍歷所有的天線組合,當(dāng)天線數(shù)較大時,復(fù)雜度較高。針對這個問題,本文基于矩陣Frobenius 范數(shù)的相容性,提出一種ICOR 算法,將COR 算法中先組合再遍歷的計算順序變?yōu)橄缺闅v再組合,即先遍歷所有天線,再按照所需進(jìn)行組合,這樣能夠避免遍歷天線的所有組合。
在式(24)中,dmn與信道系數(shù)矩陣不相關(guān),M=4可以作為常量歸一化。同時,TAN是歸一化AN 矩陣,將歸一量省略,得到簡化式,如式(25)所示。
算法1ICOR 算法的求解過程
基于COR 的天線選擇算法的基本思想是獲得TAS 模式的每個SR 并搜索(k∈{1,2,…,L})以找到最佳SR。算法的整體復(fù)雜度為,在低階符號調(diào)制時,其比文獻(xiàn)[18]中基于Max-SR的算法復(fù)雜度更低,但是這2 種算法都需要遍歷天線組合,隨發(fā)射天線數(shù)的增加而呈指數(shù)級增長。而ICOR 算法的整體復(fù)雜度包含列范數(shù)差值計算 O(Nt)和排序過程 O(lbNt),與文獻(xiàn)[18]中基于SLNR 算法的最低復(fù)雜度O(NtlbNt)相當(dāng)。相比于最大COR 算法和Max-SR 算法,ICOR 算法的復(fù)雜度只取決于發(fā)射總天線的個數(shù),且有著更好的穩(wěn)健性和更低的復(fù)雜度。
選擇信道后,式(24)便成了關(guān)于功率分配因子的函數(shù)。根據(jù)截斷速率式對功率分配因子的最優(yōu)值進(jìn)行求解,此處認(rèn)為總功率保持不變,則保密速率是關(guān)于功率分配因子的連續(xù)函數(shù)。對保密速率進(jìn)行一階求導(dǎo)得到極值解,將所對應(yīng)的極值與邊界點(diǎn)的值作比較,求得最大值,并給出最大值對應(yīng)的分配因子。
令
將式(30)寫成二元一次方程的形式為
通過對式(30)的分析可知,f(α2)的Δ=4ABC2·(C+1)> 0是關(guān)于α2的凸函數(shù),同時lb ∑exp能夠保持凸函數(shù)的性質(zhì)[19]。另外,根據(jù)計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)函數(shù)f(α2)最大值不在α2=0和α2=1處取到。然后,根據(jù)求根式得到極值解,函數(shù)f(α2)極值解的表達(dá)式為式(32),所求得的解為最大化截斷速率的最優(yōu)功率分配因子,是最大化保密速率的次優(yōu)解。
經(jīng)過天線選擇算法和最優(yōu)功率分配后,接收端可以根據(jù)反饋的信道狀態(tài)信息檢測出原信號。由于精確的誤比特率難以獲得,本文通過推導(dǎo)成對差錯概率來獲得平均誤比特率的上界。
SM 信號經(jīng)過MLD 算法檢測后,采用聯(lián)合上界的方法,則誤比特率可以表示為[26]
其中,Pr(xmi→xkj)表示將激活天線m、APM 符號si組合錯判成激活天線n、APM 符號sj組合的成對差錯概率,對于Bob 而言,其可以表示為均值為0、方差為的高斯隨機(jī)變量,因此,有
其中,N(i,j)是每一個信道的漢明距離。在瑞利信道下,類似文獻(xiàn)[27]相關(guān)的推導(dǎo),得到Bob 的接收誤比特率為
對于Eve,可以將人工噪聲表達(dá)為信道噪聲的一部分,從而Eve 接收誤比特率為
考慮到實(shí)際情況下,Eve 端無法得到反饋的CSI,因此,即使竊聽者知道激活天線的序號,也無法對空間比特信息進(jìn)行正確的估計。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送二進(jìn)制比特信息流時,竊聽者有50%的概率正確估計出比特信息,因此空間比特信息的錯誤比特數(shù)可以表示為遠(yuǎn)大于調(diào)制比特的錯誤比特數(shù)。對于Eve來說,最終的誤比特率可以近似表示為[28]
不同的TAS 策略將帶來不一樣的性能,同時具有不同的計算復(fù)雜度。本節(jié)在頻率平穩(wěn)的平坦衰落環(huán)境下,利用Matlab 平臺進(jìn)行仿真,分析和比較本文提出的ICOR 方法與文獻(xiàn)[18]提出的SLNR 算法和Max-SR 算法在不同的信噪比和功率分配因子下的性能。同時,信道統(tǒng)一采用瑞利信道,其中,H和G 的元素是從具有單位方差的復(fù)數(shù)高斯分布中提取出來的,信道噪聲的方差均歸一化為0 dB,信噪比定義為。假設(shè)發(fā)射端總的天線數(shù)Nt=10,發(fā)射符號天線數(shù)分2 種情況討論,分別為Na= 4和Na=8M= 8。Bob 和Eve 接收端天線都設(shè)置為Nb=Ne=2。另外,APM 采用二階QPSK 調(diào)制,即M=4 。在未考慮功率因子的情況下,功率因子2α 都設(shè)置為式(32)中得到的最優(yōu)功率因子。
功率因子分別為α2=0.75、α2=0.50和α2=0.25時,3 種不同TAS 方法對應(yīng)的平均SR 性能與SNR的關(guān)系如圖1 所示。通過將SLNR 算法和Max-SR算法與本文提出的ICOR 算法進(jìn)行比較可以看出,本文提出的ICOR 算法在所有SNR 區(qū)域中都可以實(shí)現(xiàn)比文獻(xiàn)[18]方法更高的平均SR,這表明其性能優(yōu)于SLNR 算法和Max-SR 算法。此外,當(dāng)SNR 逐漸增加時,所有TAS 算法的平均SR 都收斂于常數(shù),這也意味著提高SNR 不會無限期地增加平均SR,因為有限的字符輸入無法像高斯輸入那樣使互信息量達(dá)到信道容量。同樣,隨著SNR 逐漸增加,在α2=0.75的情況下,平均SR 明顯優(yōu)于α2=0.50和
2=0.25 α這2 種情況,這意味著在存在AN 輔助優(yōu)化SR 的情況下,功率分配給AN 能夠十分明顯地增加SR。但是,單純將功率多分配給AN,少分配給發(fā)射符號并不能更好地提升SR,需要在具體的SNR 區(qū)域進(jìn)行討論。通過對功率分配進(jìn)行優(yōu)化能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)的SR 性能,并且根據(jù)解析表達(dá)式的結(jié)果能夠得到應(yīng)該分配多少的功率給發(fā)射符號以及分配多少的功率選擇發(fā)射人工噪聲。
圖1 3 種不同TAS 方法平均SR 與SNR 的關(guān)系
圖2 討論了當(dāng)SNR 分別為5 dB、15 dB和25 dB時,不同功率分配因子對平均SR 性能的影響。當(dāng)處于較低的SNR 區(qū)域時,能夠取得最大保密速率的功率因子較大,因為較小的發(fā)射功率分配給AN,無法對Eve 端產(chǎn)生很大的干擾。當(dāng)SNR 較高時,發(fā)射功率較大,但是有限符號輸入下,分配給發(fā)射符號更多的功率并不能帶來更多的SR 增益,所以此時分配多余的功率發(fā)射AN能夠有效地干擾Eve,從而提升SR。此時,最優(yōu)的功率分配因子會出現(xiàn)在0.5 附近。通過比較經(jīng)過ICOR 算法篩選之后的天線和隨機(jī)選擇的天線這2 種情況可以看出,經(jīng)過ICOR 算法得到的SR 性能相較于隨機(jī)天線的組合有較大的提升,尤其是在低SNR 區(qū)域。隨著SNR的增大,SR 也趨于穩(wěn)定,所以經(jīng)過COR 算法選擇后的SR 增益相對減小。
圖2 不同SNR下的平均SR與功率分配因子2α 的關(guān)系
圖3 顯示了SLNR 算法和Max-SR 算法的平均BER 與SNR 的關(guān)系曲線,并與本文提出的ICOR算法進(jìn)行比較。通過使用與圖2 相同的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,進(jìn)一步分析3 種TAS 方法對平均BER 的影響。由于Eve 沒有獲得從Alice 發(fā)送的有關(guān)空間和星座比特位的信息,因此她只能對本地的每個二進(jìn)制位進(jìn)行隨機(jī)猜測。因此,Eve 獲得的BER 等效于式(37)的結(jié)果。顯然,隨著SNR 的逐漸提高,這3 種方法的平均BER 在低SNR 區(qū)域幾乎相同,但是在高SNR 區(qū)域,本文提出的ICOR 算法的平均BER 性能優(yōu)于SLNR 算法和Max-SR 算法。這意味著,本文提出的ICOR算法可以通過適當(dāng)?shù)靥岣逽NR來改善SM 系統(tǒng)的BER 性能。
圖4 分析了不同發(fā)射天線數(shù)(Na=4 和Na= 8)下平均BER 與SNR 的關(guān)系,并給出了Eve 在獲得反饋信道狀態(tài)信息和反饋信道狀態(tài)信息情況未知的BER。從圖4 中可以看出,在發(fā)射總天線不變的情況下,提高發(fā)射符號的天線數(shù)能夠有效提升Bob 和Eve 端的BER 性能,特別是在SNR 較高的區(qū)域。Eve 在已知CSI 的情況下,能夠比未知CSI 的情況下具有更好的BER 性能,也意味著,人工噪聲對Eve 的影響有所減小。特別是在SNR較高的區(qū)域,Eve 雖然受到人工噪聲的干擾,但是人工噪聲只考慮了不影響合法接收者,所以Eve 仍然能夠獲得比未知CSI 情況下更多的BER性能。而同時處于未知CSI 的情況下,更少的發(fā)射天線意味著更少的猜測比特位,所以Eve 的檢測錯誤概率也越小。
圖3 3種不同TAS方法平均BER與SNR關(guān)系
圖4 不同發(fā)射天線數(shù)的平均BER 與SNR 的關(guān)系
圖5 比較了 Max-SR 算法與本文提出的ICOR 算法及經(jīng)過搜索算法優(yōu)化之后的ICOR 的計算復(fù)雜度,SLNR 算法的復(fù)雜度與ICOR 算法一致。當(dāng)發(fā)射天線數(shù)固定為Na=4 根時,隨著發(fā)射天線總數(shù)的增加,需要考慮組合次數(shù)的Max-SR 算法和COR 算法的計算復(fù)雜度呈指數(shù)級增長,相比之下,只需要考慮發(fā)射天線總數(shù)的ICOR 的復(fù)雜度增長有限。當(dāng)發(fā)射天線數(shù)提升到Na=8時,Max-SR 和COR 的計算復(fù)雜度有更大幅度的提升,并且隨著發(fā)射天線總數(shù)的增加,計算復(fù)雜度增長的幅度還在增大。相比之下,ICOR 算法的復(fù)雜度不會隨著發(fā)射天線數(shù)Na的變化而變化。對比分析3 種TAS 方法的計算復(fù)雜度,經(jīng)過優(yōu)化搜索算法改進(jìn)的ICOR 極大地降低了發(fā)射天線選擇的復(fù)雜度。
圖5 不同TAS 下不同發(fā)射天線數(shù)的計算復(fù)雜度與發(fā)射端天線總數(shù)的關(guān)系
本文針對有限符號輸入下安全SM 系統(tǒng)中傳統(tǒng)算法保密速率性能低和算法復(fù)雜度高的問題,提出一種基于COR 的天線選擇算法。該算法把COR 作為SR 的近似表達(dá),將最大化SR 的問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化COR 的問題?;诮邮斩说臈l件概率密度函數(shù),推導(dǎo)出COR 的閉式表達(dá)式,并根據(jù)對COR 表達(dá)式的分析,提出低復(fù)雜度的ICOR 算法。該算法通過將矩陣范數(shù)按列展開,得到合法接收者信道列范數(shù)和非法竊聽者信道列范數(shù)。然后,根據(jù)兩者信道列范數(shù)的差值進(jìn)行排序篩選出使差值最大的天線組合,從而通過選擇的最優(yōu)天線組合最大化COR。另外,將AN 技術(shù)應(yīng)用到安全SM 系統(tǒng)中,在給竊聽者發(fā)射額外干擾的同時不影響合法接收者,從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)的SR 性能。仿真結(jié)果表明,本文所提出的ICOR 算法在安全的SM 系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)更高的SR 和更低的BER,其SR 性能優(yōu)于SLNR 算法和Max-SR 算法。同時,ICOR 算法極大地降低了最大化COR 算法的計算復(fù)雜度。本文所提的ICOR 算法是基于截斷速率的功率分配因子的次優(yōu)解,如何直接求解最大化保密速率本身的最優(yōu)解將是下一步工作的重點(diǎn)。