文 献 综 述
一、研究背景及意义
在无线通信中，由于其传播所具有的开放与广播特性，使得系统面临被窃听和干扰等方面的安全威胁，信息传输的安全问题一直是研究的重要内容。传统解决信息安全传输的方法是在网络层及其之上的各层使用加密技术，加密解密的关键是密钥。传统的方法实现信息保密的前提是窃听者不能在短时间内对密钥进行破解。随着计算能力超强的量子计算机的出现，传统的加密方法面临失效的严峻挑战。物理层安全技术以 Shannon 的安全信息论[1]为基础，利用无线信道所具有的随机性、时变性、互异性等物理特征，同时设计合理的信道编码，实现信息对窃听者的保密传输。无线传输技术的快速发展和革新，促进了物理层安全传输技术的发展与研究。近年来成为研究热点的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out, MIMO)[2]传输系统，其收发端都装备多根天线，在很大程度上推动了移动通信技术的进一步发展。MIMO 技术可在提高传输速率的同时又能提高可靠性和扩大覆盖范围，是无线通信和信号处理领域的重点研究技术之一。空间调制(Spatial Modulation, SM)是 Mesleh 和 Haas 等人提出的另一种新型多天线传输技术[3]。SM 技术利用无线信道的特性来传递信息，是一种十分适合非对称多天线配置系统的技术。SM系统的发送端在每个传输时隙只有一根发射天线被激活，而其他天线处于空闲状态，因此只需要配置一个射频单元，这样就降低了复杂度，提高了能量效率。同时SM 技术还可以结合传统的多进制幅相调制，以提高频谱效率。而在接收端则进行空间和幅相调制的联合检测，恢复信息。相比常规的 MIMO 系统，采用SM技术的收发机设计复杂度明显更低。由于只有一根天线发射信号，不存在信道间干扰，接收机可以通过单数据流的最大似然(Maximum-Likelihood, ML)检测获得最佳性能。另一方面由于发送端是单天线传输，故 SM 技术的发射机只需装备单个射频链路，减少总功率消耗，系统价格更低且易于部署。常规的 MIMO 技术在物理层安全传输中的应用已得到广泛研究，而 SM 技术作为另一种类型的多天线技术，同样也可用来实现物理层上的信息安全传输，波束成形等技术结合来实现信息安全传输。目前关于将 SM 技术运用在物理层安全方面的相关文献还很少，还需要进行深入细致的研究工作。本文针对 SM 技术在物理层安全中的应用进行研究，具有重要的理论和应用价值。
二、国内外研究现状
文献[4][5]研究将波束成形技术应用于多输入单输出(Multiple Input Single Output, MISO)系统中，使合法接收者和窃听者的接收信号质量差异最大化，系统获得最佳保密传输性能。Xiao 等人证明，在 MIMO 系统中，如果信道间的衰落是相互独立的，那么随着天线数的增加，系统的安全容量将随着之线性增大[6]。文献[7]讨论了多天线传输系统采用基于解码转发(Decode-and-Forward,DF)的协作中继技术实现保密传输的方案，对中继处使用零空间波束成形、秩 1 波束成形和一般波束成形三种场景下的可实现保密速率进行了分析，对闭式表达式以及标准半定规划的优化问题进行了推导，指出一般波束成形方案能实现最好的保密速率。文献[8]研究了单中继采取主动协作模式的保密速率。文献[9]提出在多中继网络中采用波束成形和迫零技术实现协作保密，并对基于 DF 和放大转发(Amplify- and-Forward, AF)的单跳和多跳策略的系统可达保密速率进行研究。虽然多天线技术可以获得高传输速率、高频谱利用率以及更好的误码性能，但是增加了接收端的信号处理复杂度，需要严格的天线间同步，而大量的射频单元则导致能量效率较低[10]。SM 技术的出现则能弥补上述不足。文献[11]研究了使用空间调制技术的多天线基站中的能量问题，结论是装备单射频链路的 SM 系统，其能耗要明显低于多射频链路的传统 MIMO 系统，且能效有显著的提升。文献[12]研究了在广义衰落信道下空间调制和传统单天线传输系统的性能和能量效率，证明无论是在瑞利衰落信道还是 Nakagami-m 信道下，SM系统都具有更好的能量效率。文献[13][14]分析了一种改进的空间调制技术，称之为预处理空间调制(Precoding Sptial Modulation, PSM)技术，与常规的空间调制利用激活天线索引承载部分信息不同，该方案是由接收天线索引携带部分信息。目前已有不少文献对 SM 的相关技术进行研究，但将 SM 技术应用于物理层安全、增强系统安全性的研究还比较少，仅有少量的文献对此进行了研究。文献[15]通过在发送端进行信道矩阵对角化、奇异值分解方法获得适当的预处理权重，对发送信号进行预处理，从而实现合法接收者接收信号与窃听者接收信号间的质量差异。而文献[16]则是在PSM 系统的发送端设计时变的预编码器来实现安全传输目的，并对系统的保密容量进行了相应的理论推导。文献[17]对存在窃听者时 SM 系统的保密互信息进行了推导，并提出在发送端对信息进行预处理，可使合法接收者能正常进行 SM 调制信号的解调，但窃听者则不能区分发送天线，无法解调映射到天线索引上的信息，使窃听者的互信息极小化，实现保密通信的目标。文献[18]则是将人工噪声与空间调制相结合，使用人工噪声来干扰窃听者。
三、基于空间调制的物理层安全传输方案
空间调制就是在传统 APM 的基础上加上空间维度，调制信号的星座图相应APM 信号的二维图转换为一个三维图，系统除了 APM 符号携带信息外，同时利用天线空间位置来传递部分信息。其作为一种高能量效率和低检测复杂度的多天线技术，很好地避免了传统 MIMO 技术发射天线间同步和信道间干扰的问题。
目前常用的物理层安全技术包括人工噪声、波束成形、协作干扰和区别信道估计等技术。波束成形通过预编码技术来设计成形向量，从而实现信号的定向传输。通常在物理层将波束成形技术和人工噪声技术相结合使用，达到信息安全传输的目的。协作干扰技术则是当发送端将其信息发送到目的端时，系统的中继节点同时发送一个干扰信号，该干扰信号对窃听者的影响大于对合法接收者的影响，最终达到提升保密容量的目的。通常可以将协作干扰技术运用在 MIMO 系统和中继网络中来实现保密传输。区别信道估计则是在信道估计过程中采用人工干扰、多阶段训练、设计特殊的训练序列等手段来抑制窃听者的信道估计性能，最终实现合法接收者和窃听者在接收质量上的差别。
目前基于空间调制的安全传输方案研究还较少，本章从天线选择预编码和波束成形方面，介绍有关空间调制的安全传输方案。
1）人工噪声技术方案
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