双向中继网络多对大规模MIMO系统安全性研究

冯伟 李敏 程育昊 方国杏 贾楠楠 彭张节

摘 要： 在配备有大量天线的多对大规模多输入多输出（MIMO）系统中，研究了多个用户通过双向中继网络交换消息的安全问题.首先，推导出用户的安全容量表达式;然后，通过分析结果，讨论信道容量、天线数和用户对数之间的数学关系，得出系统安全容量的近似表达式.仿真结果表明：当中继的传输功率和用户发射功率远远大于噪声功率时，安全容量与天线数量成正比，与干扰用户对数成反比.

关键词： 大规模多输入多输出（MIMO）系统; 双向中继; 安全容量

中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2019）01-0043-07

Abstract： In multiple pairs of massive multiple input multiple output （MIMO） system equipped with a large number of antennas，this paper considered the security issues of two-way relay networks where multiple users exchange messages.Firstly，the user′s safety capacity expression was derived.Then，according to the analysis results，the mathematical relationship among the channel capacity，the number of antennas and the pair of users are discussed.Lastly，an approximate expression of the system safety capacity was obtained.Simulation results showed that when the transmission power of the relay and the user emission power were much greater than the noise power，the safety capacity was proportional to the number of antennas while inversely proportional to the pair of interference users.

Key words： massive multiple input multiple output （MIMO） system; two-way relay; secure capacity

0 引 言

为了提高边缘用户的传输条件，增强其抗衰减和抗干扰性能，将无线中继技术引入移动通信系统中[1].双向中继作为无线中继技术的一种，凭借其特有的双向特性，可以获得比单向中继更高的频谱效率[2].在双向中继系统中，两个用户之间交换信息所需时间比单向中继系统短得多[3].使用双向中继技术可以扩大传统蜂窝通信系统的信号覆盖范围，而大规模多输入多输出（MIMO）技术可以为系统提供极高的数据传输速率.将大规模MIMO技术与双向中继技术相结合，构成大规模MIMO双向中继网络[4]，能够实现更高的数据传输速率与更广的信号覆盖范围.

保障通信数据的安全和隐私是5G网络的首要任务之一[5].与传统的通过密码技术保护数据安全的方法不同，保证物理层安全的方法能巧妙地利用通信介质的不完善性提供安全的无线传输.这种特性可以有效地降低窃听者的信号接收质量，从而防止他们从接收到的信号中获取机密信息.在大规模MIMO双向中继网络中，保障通信安全是研究重点.PAN等[6]考虑了基于功率分配方案的多用户大规模MIMO双向中继系统中的安全问题.本文作者从物理层安全的角度出发，研究几种经典功率场景下，多用户大规模MIMO双向中继系统中的安全容量问题，并推导了安全容量的近似表达式.

1 系统模型

基于多用户大规模MIMO的双向中继系统的系统架构如图1所示.

1.1 合法用户的信道容量

1.2 窃听者的信道容量

4 结 论

研究了4种典型功率分配方案下，多对双向中继大规模MIMO系统的安全容量问题.推导了用户的安全容量表达式，在不同的功率调节方案下，通过分析结果，讨论了信道容量、天线数和用户对数之间的数学关系，得出了当天线趋于无穷大时的系统安全容量的近似闭合表达式.仿真结果表明：系统的安全容量随着用户对数的增加而增加，同时也随着天线数的增加而增加.

参考文献：

[1] WANG R，TAO M.Joint source and relay precoding designs for MIMO two-way relaying based on MSE criterion [J].IEEE Transactions on Signal Processing，2012，60（3）：1352-1365.

[2] CHEN J，CHEN H，ZHANG H，et al.Spectral-energy efficiency tradeoff in relay-aided massive MIMO cellular networks with pilot contamination [J].IEEE Access，2016，4：5234-5242.

[3] WANG C L，CHEN J Y，PENG Y H.Relay precoder designs for two-way amplify-and-forward MIMO relay systems：an eigenmode-selection approach [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2016，15（7）：5127-5137.

[4] JIN S，LIANG X，WONG K K，et al.Ergodic rate analysis for multipair massive MIMO two-way relay networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2015，14（3）：1480-1491.

[5] YANG N，WANG L，GERACI G，et al.Safeguarding 5G wireless communication networks using physical layer security [J].IEEE Communications Magazine，2015，53（4）：20-27.

[6] PAN X，GUO L，DONG C，et al.Secure multi-pair massive MIMO two-way amplify-and-forward relay network with power allocation scheme [C]//2017 IEEE International Conference on Communications （ICC）.Paris：IEEE，2017：1-5.

（責任编辑：包震宇，顾浩然）