具有统计CSI的两用户MISO干扰信道的遍历保密率

本文研究了具有统计信道状态信息（CSI）的两用户多输入单输出（MISO）干扰信道的遍历保密率问题。在物理层面上，可以使用信号处理方法来实现安全性，而不是依赖密码或密钥，目的是为了降低窃听者的信道质量，使得在窃听者处的检测变得没有意义。这种信息论安全，也被称作物理层安全，最初由Wyner在1970年代提出，并定义了保密容量的概念，即窃听者所能够获得的可保密的最大速率。随后，Csiszar等人研究了一个更加一般的窃听信道模型，并展示了在没有密钥加密的情况下，借助于信号处理手段，仍然可以实现安全通信的可能性。 文中重点探讨了在只有统计CSI的条件下，如何通过发射端之间的协调来优化保密率，证明了人工噪声（Artificial Noise, AN）并不能提升保密率性能。通过两发射端之间协调波束成形（Coordinated Beamforming, CB），可以达到最优的保密率。协调波束成形是指发射端之间通过共享某些参数来共同优化波束成形向量的过程，这可以通过预先约定的方式实现。研究分析了在发射端仅知道统计CSI的情况下保证保密率正性的波束成形参数的可行集，进而对遍历保密率区域进行了讨论。 文章进一步推导出了遍历保密率的闭式表达式，并说明了波束成形向量的Pareto最优结构。这一结果不仅对于理解在仅有统计 CSI 的条件下如何保障通信的物理层安全提供了理论依据，而且对于设计实际的通信系统也具有实际的指导意义。 具体地，研究内容包括以下几点： 1. 研究了两用户MISO干扰信道，其中每个发射端均有保密消息发送（IFC-CM），并且发射端的波束成形向量是通过闭式Pareto最优参数化联合优化的。 2. 在仅有统计CSI的条件下，确保保密率正性的波束成形参数的可行集被分析，这意味着两发射端仅需知道信道的统计特性，如均值和方差，而不是瞬时状态。 3. 通过研究，证明了在两用户MISO干扰信道中，使用人工噪声并不能提升保密率性能。相反，协调波束成形被认为是保密率最优的实现方式。 4. 闭式的遍历保密率表达式被推导出来，并对波束成形向量的Pareto最优结构进行了说明。这一最优结构的展示为波束成形向量的设计提供了参考。 5. 本文提出的理论和方法可以广泛应用于需要物理层安全的通信系统中，特别是在需要保密通信的场合，例如军事情报的传输、政府和商业机密的通信等。 通过上述研究，本文不仅在理论上对两用户MISO干扰信道在具有统计CSI的条件下的遍历保密率问题做出了系统性的阐述，也为实际的物理层安全通信系统的设计提供了参考。在实际应用中，本文的研究成果可以帮助通信工程师理解如何在信号处理层面上保证通信的安全性，减少对传统密钥交换和加密方法的依赖。