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拓扑与电路
★ 4.0
MIMO系统安全性能分析：从人工噪声功率与维度的角度
Security Performance Analysis for MIMO Systems: From Artificial Noise's Power and Dimension Perspective
| 作者 | Panpan Xu · Zhenling Li · Chunguo Li · Weijie Tan |
| 期刊 | IEEE Transactions on Vehicular Technology |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 拓扑与电路 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 人工噪声 多输入多输出系统 保密中断概率 保密容量 窃听者 |
语言:
中文摘要
本文分析了人工噪声（AN）的功率和维度对存在多个随机分布窃听者的多输入多输出（MIMO）系统安全性能的影响。利用传输信道之间的不相关性以及人工噪声与合法信道矩阵零空间基向量的正交性，推导了保密中断概率（SOP）和最优保密容量的闭式表达式。采用泊松点过程确定窃听者的数量和位置，然后分析了基于概率的视距（LoS）或非视距（NLoS）信道三维信道条件下通信系统的安全性能。仿真结果得出以下结论。当人工噪声维度达到最高维度的 1/4（即发射天线数量减 1 后的四分之一）且功率分配因子（PSF）处于开区间（0.6, 0.9）时，能够在保密容量和设计复杂度之间取得平衡。
English Abstract
This paper analyzes the influence of power and dimension of artificial noise (AN) on security performance of multiple-input multiple-output (MIMO) system with multiple randomly located eavesdroppers. We derive the closed-form expressions of the secrecy outage probability (SOP) and the optimal secrecy capacity by utilizing the irrelevance among transmission channels, and the orthogonality between AN and the basis vectors of the legitimate channel matrix's null space. We use the Poisson point process to determine the number and location of eavesdroppers, then analyze the security performance of the communication system under the 3D channel condition of probability-based line-of-sight (LoS) or non-line-of-sight (NLoS) channel. The simulation results show the following conclusions. When the AN dimension reaches 1/4 highest dimension (i.e., one quarter of the number of transmitting antennae less than one) and the power splitter factor (PSF) falls in the open interval (0.6, 0.9), we can achieve a trade-off between secrecy capacity and design complexity.
S
SunView 深度解读
从阳光电源分布式能源系统通信安全的角度来看，这项针对MIMO系统中人工噪声优化的安全性能研究具有重要的参考价值。随着我们大规模光伏电站、储能系统及虚拟电厂业务的快速发展，数以万计的分布式设备需要通过无线通信网络实现实时监控、调度和协同控制，其中涉及的发电数据、电网调度指令、用户用电信息等均属于敏感数据，面临着日益严峻的窃听威胁。
该论文提出的基于人工噪声的物理层安全技术为我们的通信系统提供了新的防护思路。研究表明，当人工噪声维度达到发射天线数的1/4、功率分配因子在0.6-0.9区间时，可在保密容量与系统复杂度间取得最优平衡。这一结论对我们设计光伏逆变器、储能变流器等设备的无线通信模块具有指导意义，特别是在户用及工商业场景中，设备往往采用4-8天线的MIMO配置，该方案可在不显著增加硬件成本的前提下提升通信安全性。
然而，该技术在实际应用中仍面临挑战。论文基于泊松点过程假设窃听者随机分布，但实际电站环境中的安全威胁往往具有针对性和持续性特征。此外，新能源场景下的通信系统需要兼顾低功耗、高可靠性和实时性要求，人工噪声的引入会降低有效传输速率并增加能耗，这与我们追求系统高效率的目标存在矛盾。
建议我们的研发团队关注该技术方向，结合5G专网和边缘计算架构，探索在关键控制链路（如AGC调频指令、需求响应信号）中选择性部署物理层加密的可行性，为构建本质安全的智慧能源物联网奠定技术基础。