探究物理层安全传输技术的信号处理角度

由上一小节信息论方向的文献资料可知，PHY传输的安全容量关于输入信号协方差矩阵的闭合表达式已经明朗[5]、[7]、[8]、[25]、[26]。然而，从信号处理角度，PHY传输关于输入信号协方差矩阵的优化设计的演进，却依然面临着一些棘手的问题。这些问题主要来源于两个方面：其一，现有的PHY传输信号处理技术中，安全速率关于输入信号协方差矩阵的最大化问题是非凸的，很难分析及求解；其二，新节点的引入，给现有信号处理方案带来了一些新的问题，如系统中共信道干扰（CCI）角色的复杂化，各通信链路传输速率之间的折中，全双工节点的自干扰问题，如何对抗自适应的窃听节点等。

在本小节中，作者拟以现有PHY传输信号处理技术为线索，从基于多天线的PHY传输信号处理技术、基于人工噪声的PHY传输信号处理技术、基于干扰协调的PHY传输信号处理技术、双向通信中的PHY传输信号处理技术，以及面向Active-窃听的PHY传输信号处理技术五个方面出发，分别阐述PHY传输信号处理技术的研究现状以及存在的难点问题。

（1）基于多天线的PHY传输信号处理技术

现有的PHY传输信号处理技术研究中，针对一些特殊的多天线系统，给出了输入信号协方差矩阵的设计[25]、[31]-[36]。具体的，文献[25]给出了合法接收端配置单根天线的情况下，发送端最优输入信号协方差矩阵的设计；文献[31]考虑合法信道协方差矩阵与非法信道协方差矩阵之差只有一个正的特征值的情况，给出了最优输入信号协方差矩阵的设计。然而，针对一般的多天线系统，优化输入信号协方差矩阵以获得最大安全速率问题是非凸的，且仍然是一个开放性的问题。文献[32]基于广义特征值分解给出了次优解。文献[33]借助优化理论[39]及迭代算法得到了局部最优解，我们利用Majorization理论[40]得到了一个有效的理论上界[34]。文献[35]、[36]考虑大规模天线的场景中的导频污染问题，利用大规模天线提供的丰富的空域自由度提高抗窃听能力。文献[37]、[38]考虑非理想信道状态信息条件和应用场景下，设计具有鲁棒性的波束成形算法及功率分配算法。

（2）基于人工噪声的PHY传输信号处理技术

根据信息论分析结果可知，经典Alice-Bob-Eve窃听信道中可达安全传输速率等于合法用户和非法用户可达速率之差。这从侧面表明，当窃听信道质量比合法信道质量好时，系统无法以正的速率安全传输数据。为此，学者们提出了人工噪声辅助信息数据安全传输的技术方案。发送人工噪声的一般指导思想是，在不影响合法接收的前提下，利用噪声恶化窃听信道质量，最终获取优势信道。人工噪声可以由源节点发送[41]、[42]，或者由额外的辅助节点发送。文献[9]-[12]、[24]考虑了一个额外辅助节点的场景；文献[13]、[19]考虑了多个额外辅助节点的场景，选择最好的辅助节点或者各辅助节点相互配合，发送人工噪声；文献[20]、[23]更是考虑了存在中继的复杂场景，人工噪声在信号广播阶段发送，或者在信号中继阶段发送，或者在两个阶段均发送。

在PHY传输信号处理技术中，针对一些特殊的额外节点辅助场景，最优输入信号协方差矩阵的设计已经明朗。具体的，考虑非法用户配置一根天线的场景，文献[11]、[14]利用凸优化工具及一维线性搜索的办法设计算法，给出最优输入信号协方差矩阵；文献[15]-[17]考虑算法复杂度与性能的折中，在协作节点所发人工噪声不影响合法用户信道质量的约束下，设计复杂度低且易实现的算法。针对非法用户配置了多根天线的场景，文献[18]、[19]设计来自不同额外辅助节点的人工干扰信号，使之在合法用户接收器端对齐到提前指定的干扰子空间，并且分散在非法用户接收器不同的接收信号子空间里。然而，针对一般的协作场景，相比基于多天线的PHY传输信号处理技术，由于额外需要设计辅助节点的输入信号协方差矩阵，关于安全速率的优化更加困难，且仍是一个开放性的问题。文献[9]考虑协方差矩阵约束，给出辅助节点不工作时发送端最优输入信号协方差矩阵，并在此基础上设计人工噪声协方差矩阵，以增大可达安全传输速率，提高系统安全性能。

（3）基于干扰协调的PHY传输信号处理技术

只要合理设计，人工噪声确实能够起到恶化窃听信道质量，从而提高安全传输速率的目的。但是，从系统设计的角度，额外使用功率发送噪声信号，将导致功率使用效率的降低。在密集多用户系统中，CCI无处不在。如果能够合理协调，CCI将能够替代人工噪声，起到恶化窃听信道质量的目的。基于这个想法，近来有学者开始研究如何利用CCI来提高系统安全传输速率[43]-[50]。文献[43]-[47]考虑了K-用户干扰信道的场景，用户传输的数据均希望不被窃听者窃听。具体的，文献[43]-[46]考虑每个节点均配置单天线的情况，结合干扰对齐技术，探究高SNR下，最大可达安全传输速率；文献[47]考虑每个节点均配置多天线的情况，在经典干扰对齐算法的思想上，在兼顾安全约束的前提下，迭代优化系统总的安全传输速率。此外，文献[48]、[49]考虑保密数据网络和公用数据网络共存的情况，即2-用户窃听干扰信道。该系统由一个经典的窃听信道加一个点到点公用信道组成，公用信道传输的数据并无保密要求。文献[48]、[49]给出波束成形和功率分配的设计方案，在保证非保密数据获得一定服务质量（QoS）的前提下，最大化保密数据的安全传输速率。文献[50]研究了分布式中继协作传输方式下的预编码技术，通过优化中继节点选择、干扰赋形向量及功率分配，改善链路可支持的安全传输速率。

由于涉及保密数据的传输，现有PHY传输信号处理技术中存在的难点问题，在基于干扰协调的PHY传输信号处理技术中依然存在。此外，由于在同一信道资源上传输保密数据的同时传递其他用户数据，系统中CCI的角色变得更加复杂：其一，新增的用户数据与保密数据，由于在同一无线资源上传递而相互干扰，因此需要规避及抑制CCI；其二，由于非法用户的存在，新增的用户数据可以作为保密数据的人工噪声，对窃听信道进行恶化。因此，需要合理设计利用CCI，降低CCI对合法用户接收信号的损害的同时，增强CCI对窃听信道质量的恶化。(www.xing528.com)

（4）双向通信中的PHY传输信号处理技术

双向通信，顾名思义，通信双方发送器与接收器同时工作。也就是说，通信双方工作在全双工模式。全双工技术，前些年由于能够成倍提高系统频谱效率而吸引了大量的眼球[51]-[55]。由于全双工工作方式带来的自干扰难以消除，这阻碍了全双工技术进一步走向实际应用系统。但是，在未来5G通信中，小小区和低功率发送节点将成为主流趋势，这使得自干扰消除问题变得相对简单。近来，学者们开始着手全双工节点在物理层安全传输技术中的应用。具体的，文献[56]-[58]考虑Bob工作在全双工模式，在接收源节点发送的信号数据的同时，发送人工噪声，恶化窃听信道。通常情况下，人工噪声或者由源节点发送，或者由额外辅助节点发送；相比之下，由于信源节点的可用资源受限，且额外辅助节点的可信度存疑，信号接收节点Bob工作在全双工模式发送人工噪声有更大的优势。相比仅Bob以全双工方式工作的情况，文献[59]-[66]更是考虑了通信双方同时工作在全双工模式的情况。具体的，目标节点中接收来自源节点的信息信号的同时，发送信息信号给源节点；源节点在发送信息信号的同时，接收来自目标节点的信息信号。如此一来，两个信号在窃听端将互为干扰信号。文献[59]-[62]从编码的角度，分析可达安全传输速率。相比之下，文献[63]-[66]从信号处理的角度，分析如何提升系统可支持的安全传输速率或者服务质量：文献[63]研究了最简单的SISO场景，提出功率分配算法，以最大化可支持的安全传输速率为目标；文献[64]、[65]假定每个接收器配置一根接收天线，进行信号接收，并为此场景设计了波束成形方案，以增大安全传输速率；文献[66]考虑了接收器配置多根接收天线的场景，在满足一定QoS约束条件下，最小化发送器的发送功率。

针对一般的多天线系统，安全速率关于输入信号协方差矩阵的最大化优化问题是非凸的。在双向通信中，由于两条保密通信链路同时存在，在最大化一条链路的安全传输速率的同时，需要兼顾另一条链路的安全传输速率。因此，相比经典的物理层安全系统中安全传输速率的最大化问题，双向通信中安全传输速率关于输入信号协方差矩阵的优化求解更为艰难。

（5）面向Active-窃听的PHY传输信号处理技术

时下关于物理层安全的研究，几乎都是考虑Passive-窃听的情况，即窃听者只是窃听，并不会发送干扰信号恶化合法接收器的信号接收。我们熟知的提高安全传输速率的方案，包括多天线技术、人工噪声技术、干扰协调技术等。这些技术虽然过程各异，但目标一致，要么增强窃听者的接收信号质量，要么恶化合法接收的信号质量，最终达到降低可达安全传输速率的目的。

最近，关于Active-窃听的研究开始受到了学者们的关注。与Passive-窃听相对应，Active-窃听者在窃听的同时，亦发送干扰信号，恶化合法接收器的信号接收。一方面，文献[69]-[71]站在窃听方的角度，深入研究有效的攻击策略，降低系统可支持的安全传输速率；另一方面，文献[72]-[79]站在合法方的角度，深入研究检测攻击的方案，并提供可靠抗窃听方案，保障保密数据的安全传输。具体的，文献[72]-[74]考虑大规模天线场景，窃听者发送噪声干扰合法用户的信道估计，引起发送波束成形设计方向偏差。文献[75]-[79]分别考虑单入单出（SISO）场景、多入多出（MIMO）场景、快衰减信道模型、中继场景以及正交频分复用（OFDM）场景。窃听者根据合法者信道质量及窃听者信道质量情况，以最大的降低安全传输速率为目标，选择最恰当的工作方式，或者窃听，或者发送人工噪声，或者窃听的同时发送人工噪声。为了对抗此种恶意行为，文献[75]、[76]中源节点根据信道质量情况及窃听者的工作方式，或者继续发送信号，或者保持沉默，或者在发送信号的同时发送人工噪声；文献[77]引进了一种新式的编码方式；文献[78]和[79]分别优化了中继选择和功率分配方案。

（6）以最大化安全自由度（SDoF）为目标的PHY传输信号处理技术

为了洞察安全容量与系统各参数之间的解析关系，近期有学者开始着手分析PHY传输信号处理技术可支持的安全自由度。与自由度的定义相仿，SDoF表征安全容量与信噪比（SNR）在SNR时的比值，即高SNR下最大可达安全传输速率关于SNR的增长速率[80]。Dr.J.Xie研究了单天线，多用户干扰信道、MAC信道及BC信道等场景，给出了最大可达SDoF[81]-[82]；Dr.M.Nafea研究了一些满足特殊要求的多天线系统，比如说源节点和目标节点配置相同天线数，且有额外节点辅助发送人工噪声的场景，给出了最大可达SDoF[83]-[86]。只是，以上结果均是基于编码理论进行分析而得到的，且结果仅限于一些特殊的场景，不具普适性。此外，从信号处理的角度分析可达SDoF的文章也有一些。文献[19]考虑可用协作节点足够多的情况，选择到合法用户信道增益小而到非法用户信道增益大的协作节点，以达到增强数据安全性的目的。文献[81]、[82]用实干扰对齐[87]、[91]，使人工噪声与期望信号在非法用户端对齐到相同的子空间，而在合法用户端分散在不同的子空间，由此达到保障期望信号无法被非法用户译码的目的。