全雙工竊聽(tīng)下的無(wú)人機(jī)通信保密性能分析

刁丹玉, 王布宏,*, 曹堃銳, 東潤(rùn)澤, 程天昊

(1. 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 陜西 西安 710077; 2. 國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院, 陜西 西安 710106)

0 引 言

由于無(wú)人機(jī)具有低成本、高機(jī)動(dòng)性、高信道質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)無(wú)人機(jī)無(wú)線通信得到了人們的廣泛關(guān)注。無(wú)人機(jī)可作為臨時(shí)空中基站,在災(zāi)后快速搭建通信平臺(tái);也可以作為輔助中繼,利用其靈活性和信道特性獲得更好的通信質(zhì)量。然而,與傳統(tǒng)的地面無(wú)線通信相比,由于空對(duì)地通信鏈路具有強(qiáng)視距鏈路屬性,更容易被截獲,所以安全性是無(wú)人機(jī)通信面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。近年來(lái),物理層安全技術(shù)在無(wú)線通信安全領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。物理層安全技術(shù)是指利用無(wú)線信道的固有特性(例如,衰落、噪聲和干擾)來(lái)保證竊聽(tīng)者在物理層上不能竊取合法信息,與上層加密技術(shù)相比,物理層安全技術(shù)不需要大量復(fù)雜的計(jì)算以及密鑰的分發(fā)與管理,能夠有效節(jié)省資源,是對(duì)上層加密技術(shù)的補(bǔ)充甚至替代。Wyner于1975年提出了竊聽(tīng)信道模型,該模型表明,當(dāng)主信道的性能優(yōu)于竊聽(tīng)者的竊聽(tīng)信道時(shí),可以實(shí)現(xiàn)完全保密。隨著無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用,無(wú)人機(jī)通信的物理層安全問(wèn)題已經(jīng)吸引了大量的關(guān)注與研究。文獻(xiàn)[10]針對(duì)無(wú)人機(jī)作為空中基站的場(chǎng)景,在存在地面竊聽(tīng)者的情況下,通過(guò)同時(shí)優(yōu)化軌跡和發(fā)射功率來(lái)提高無(wú)人機(jī)的安全性能。文獻(xiàn)[11]研究了無(wú)人機(jī)毫米波網(wǎng)絡(luò)的保密性能,提出了一種發(fā)射干擾策略,利用無(wú)人機(jī)發(fā)射人工噪聲來(lái)對(duì)抗竊聽(tīng)攻擊。文獻(xiàn)[12]針對(duì)無(wú)人機(jī)中繼系統(tǒng),提出了采用信源端發(fā)送人工干擾信號(hào)的傳輸方案來(lái)提高系統(tǒng)的安全容量。

另一方面,由于無(wú)人機(jī)的尺寸和重量較小,更換電池不方便,儲(chǔ)能有限,所以無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間成為制約無(wú)人機(jī)通信發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。能量采集技術(shù)因能在環(huán)境中采集射頻信號(hào)能量而得到廣泛關(guān)注,為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的可持續(xù)通信提供了一種新的解決思路。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于能量采集技術(shù)的無(wú)人機(jī)輔助中繼方案,在不同城市環(huán)境下降低連接中斷概率。文獻(xiàn)[17]提出一種無(wú)人機(jī)中繼安全傳輸方案,應(yīng)用能量采集技術(shù),在存在竊聽(tīng)者的情況下,提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。無(wú)線供電通信是能量采集技術(shù)的一個(gè)重要方面。在無(wú)線供電系統(tǒng)中,源發(fā)射能量給終端,終端利用采集到的能量將有用信息上行傳輸給基站。文獻(xiàn)[18]研究了一種新型的無(wú)人機(jī)無(wú)線供電系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)安裝在無(wú)人機(jī)上的移動(dòng)能量發(fā)射器向地面終端發(fā)送無(wú)線能量,通過(guò)軌跡規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳輸效率的最大化。文獻(xiàn)[19]通過(guò)無(wú)人機(jī)的軌跡設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電系統(tǒng)通信吞吐量、延遲和能量消耗的權(quán)衡。上述研究往往致力于研究無(wú)人機(jī)作源,為地面終端供電的無(wú)線供電系統(tǒng),而忽略了無(wú)人機(jī)本身的能量受限性,對(duì)無(wú)人機(jī)作終端的無(wú)線供電系統(tǒng)的研究相對(duì)較少。在無(wú)人機(jī)作終端的無(wú)線供電通信系統(tǒng)中,基站先下行傳輸射頻能量至能量受限的無(wú)人機(jī),然后無(wú)人機(jī)利用采集的能量將信息上行傳輸至基站,應(yīng)用此方案來(lái)解決無(wú)人機(jī)能量有限的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)可持續(xù)通信具有重要意義。

近年來(lái),全雙工技術(shù)已經(jīng)成為下一代通信系統(tǒng)中提高頻譜利用率的一種十分有前景的解決方案。全雙工技術(shù)理論上可以使常用的半雙工通信系統(tǒng)的頻譜效率提高一倍,但會(huì)帶來(lái)回環(huán)自干擾。通過(guò)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的天線技術(shù)、電子技術(shù)和高效的通信技術(shù),降低回環(huán)自干擾方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展,因此全雙工技術(shù)已經(jīng)成為一種十分有前景的技術(shù)。文獻(xiàn)[20]研究了全雙工收發(fā)器的結(jié)構(gòu)和串行干擾需求。文獻(xiàn)[21]對(duì)存在主動(dòng)竊聽(tīng)者的信道鏈路進(jìn)行研究,提出一種博弈模型,使竊聽(tīng)者根據(jù)自干擾和位置,在全雙工和半雙工之間選擇最佳模式。應(yīng)用全雙工技術(shù)的無(wú)人機(jī)輔助通信近年來(lái)也引起了越來(lái)越多的研究興趣,文獻(xiàn)[22]提出了一種基于全雙工無(wú)人機(jī)的中繼協(xié)同通信系統(tǒng)方案,利用無(wú)線供電技術(shù)以及全雙工回環(huán)自干擾能量采集技術(shù)為無(wú)人機(jī)供能。文獻(xiàn)[23]提出了一種利用全雙工合法監(jiān)聽(tīng)器來(lái)監(jiān)聽(tīng)無(wú)人機(jī)輔助中繼的方案。文獻(xiàn)[24]研究了利用全雙工合法監(jiān)聽(tīng)器來(lái)監(jiān)聽(tīng)無(wú)人機(jī)輔助的認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò),在合法監(jiān)聽(tīng)器的發(fā)射功率約束和主接收機(jī)的干擾約束下,最大化可實(shí)現(xiàn)的竊聽(tīng)率。文獻(xiàn)[25]針對(duì)存在全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者的無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng),采用信源發(fā)射人工噪聲的方法來(lái)惡化竊聽(tīng)信道質(zhì)量。上述研究往往致力于研究利用全雙工技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行合法監(jiān)聽(tīng),對(duì)于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中存在全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者的情況,物理層安全性能研究還不充分。對(duì)此,本文研究了全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)下的無(wú)人機(jī)無(wú)線供電系統(tǒng)的物理層安全,采用傳輸中斷約束下的最優(yōu)編碼策略,將無(wú)人機(jī)的傳輸中斷概率限制在一個(gè)閾值內(nèi),進(jìn)而保證無(wú)人機(jī)通信的可靠性,同時(shí)提高無(wú)人機(jī)通信的安全性,并分析了該模型中的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)通信物理層安全性能的影響。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)場(chǎng)景

該系統(tǒng)場(chǎng)景如圖1所示,包括一架能量受限的無(wú)人機(jī)、一臺(tái)基站和一個(gè)全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者,分別用、和來(lái)表示。在一個(gè)通信時(shí)間幀內(nèi),無(wú)人機(jī)無(wú)線供電系統(tǒng)的通信過(guò)程分為兩個(gè)時(shí)間段:能量采集時(shí)間段和信息傳輸時(shí)間段。在能量采集時(shí)間段,無(wú)人機(jī)采取射頻能量采集的方法從基站處獲取能量,在信息傳輸時(shí)間段,無(wú)人機(jī)利用采集到的能量將信息上行傳輸給基站。假設(shè)無(wú)人機(jī)的機(jī)載電池為無(wú)人機(jī)的飛行控制提供電量,而采集到的能量只用于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信,全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者在竊取無(wú)人機(jī)發(fā)射的信息的同時(shí)向基站發(fā)射干擾信號(hào)。

圖1 存在主動(dòng)竊聽(tīng)者的無(wú)人機(jī)無(wú)線供電系統(tǒng)模型圖Fig.1 Model diagram of unmanned aerial vehicle wireless powered system with proactive eavesdroppers

采取三維笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)描述3個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),基站、無(wú)人機(jī)、全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者的坐標(biāo)分別為?=(0,0,0),?=(,,),?=(,,0)。節(jié)點(diǎn)和之間的小尺度衰落系數(shù)以及距離分別為 和 ,,∈{,,}。假設(shè)各信道之間相互獨(dú)立;基站與主動(dòng)竊聽(tīng)者之間的信道小尺度衰落系數(shù)服從均值為的瑞利分布;基站已知 的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息和、的統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息。隨著干擾消除技術(shù)的發(fā)展,可以在空間域、數(shù)字電路域和模擬電路域中抑制回環(huán)自干擾,因此假設(shè)剩余回環(huán)自干擾服從均值為0,方差為的高斯分布,其中表示全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者發(fā)射的干擾信號(hào)的功率。參數(shù)反映了全雙工竊聽(tīng)者的回環(huán)自干擾消除能力,→0時(shí),全雙工竊聽(tīng)者有完美的回環(huán)自干擾消除能力。

1.2 地空信道模型

(1)

2,=1-1,

(2)

在LoS信道傳播條件下,信道經(jīng)歷萊斯衰落,而在NLoS信道傳播條件下,信道經(jīng)歷瑞利衰落。同時(shí),無(wú)人機(jī)和地面節(jié)點(diǎn)之間LoS信道的小尺度衰落可表示為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:表示路徑損耗系數(shù);、分別表示LoS和NLoS信道的衰減因子,>且與環(huán)境相關(guān)。

1.3 無(wú)人機(jī)無(wú)線供電系統(tǒng)通信模型

在能量采集階段,時(shí)間內(nèi)(代表能量采集時(shí)間因子),基站向能量受限的無(wú)人機(jī)發(fā)送射頻信號(hào),無(wú)人機(jī)從基站處采集到的能量可表示為

(7)

式中:表示能量轉(zhuǎn)換效率;表示基站發(fā)射的信號(hào)功率。

在信息傳遞階段,(1-)時(shí)間內(nèi),無(wú)人機(jī)利用采集到的能量將信息上行傳輸給基站,無(wú)人機(jī)發(fā)射信號(hào)的功率可以表示為

(8)

(9)

式中:表示基站端接收到的信號(hào)噪聲,～CN(0,)。則基站處的信噪比可表示為

(10)

(11)

式中:表示基站端接收到的信號(hào)噪聲,～CN(0,)。

則全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者的信噪比可表示為

(12)

2 傳輸中斷約束方案設(shè)計(jì)及其性能分析

由于基站不知道之間的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息,所以不能采取變速率的編碼傳輸方案,只能采取固定速率的編碼傳輸方案。為保證無(wú)人機(jī)通信的可靠性和安全性,提出了一種傳輸中斷約束方案,引入一個(gè)傳輸中斷約束閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠傳輸,連接中斷概率被定義為瞬時(shí)信噪比小于目標(biāo)信噪比的概率。則基站的連接中斷概率為

(13)

(14)

在傳輸中斷概率約束下,無(wú)人機(jī)與基站之間的信道容量=。無(wú)人機(jī)與全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者之間的信道容量可表示為

(15)

無(wú)人機(jī)的保密容量為={-},其中{}=max(,0)。當(dāng)保密容量等于或小于預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)保密速率時(shí),視為保密中斷,則保密中斷概率可表示為

1,1, SOP+1,2, SOP+2,1, SOP+2,2, SOP

(16)

(17)

(18)

(19)

同理可得

(20)

(21)

(22)

結(jié)合上述,SOP、SOP、SOP、SOP的推導(dǎo)結(jié)果,可得出所提方案下無(wú)人機(jī)無(wú)線供電系統(tǒng)保密中斷概率的閉合表達(dá)式。

3 數(shù)值結(jié)果與討論

表1 仿真參數(shù)

圖2展示了基站發(fā)射功率與能量采集時(shí)間因子對(duì)無(wú)人機(jī)保密通信的影響。圖中模擬值與理論曲線重合,驗(yàn)證了理論公式推導(dǎo)的正確性?？梢钥闯?隨著基站發(fā)射功率的增大,無(wú)人機(jī)的保密性能收斂于一個(gè)門(mén)限,同時(shí)隨著能量采集時(shí)間因子的增加,該門(mén)限值不斷提高。這一現(xiàn)象可以解釋為,在無(wú)人機(jī)無(wú)線供電系統(tǒng)通信鏈路中,增加基站發(fā)射功率,無(wú)人機(jī)的發(fā)射功率增大,基站的接收信號(hào)功率和竊聽(tīng)者的竊聽(tīng)信號(hào)的功率都隨之增大,所以保密中斷概率收斂于一個(gè)門(mén)限。隨著能量采集因子的增加,信號(hào)帶寬減小,所以該門(mén)限值提高。

圖2 不同能量采集時(shí)間因子α下SOP與Ps的關(guān)系Fig.2 Relationship between SOP and Ps under different energy harvesting factor α

圖3比較了傳輸中斷約束方案與兩種基準(zhǔn)方案下的無(wú)人機(jī)的保密中斷概率?；鶞?zhǔn)方案I中,在存在主動(dòng)竊聽(tīng)者的情況下,基站編碼速率小于最優(yōu)編碼速率?；鶞?zhǔn)方案II中,竊聽(tīng)者只進(jìn)行被動(dòng)竊聽(tīng),而不發(fā)射干擾信號(hào)。

圖3 不同方案下SOP與Ps的關(guān)系Fig.3 Relationship between SOP and Ps under different schemes

從圖3可以看出,隨著基站發(fā)射信號(hào)的功率增加,傳輸中斷約束方案相比基準(zhǔn)方案I能獲得更低的保密中斷概率,這是因?yàn)槿绻揪幋a速率小于最優(yōu)編碼速率,無(wú)人機(jī)的保密容量減小,無(wú)人機(jī)的保密中斷概率隨之增大,表明了所提方案的優(yōu)越性。與基準(zhǔn)方案II相比,可以看出主動(dòng)竊聽(tīng)下的無(wú)人機(jī)無(wú)線供電通信系統(tǒng)保密性更差。

圖4展示了不同的高度下,無(wú)人機(jī)的保密中斷概率與無(wú)人機(jī)的軸坐標(biāo)的關(guān)系。從圖4中可以看出,隨著無(wú)人機(jī)到主動(dòng)竊聽(tīng)者的距離減小,無(wú)人機(jī)的保密中斷概率增高,這是符合預(yù)期的,因?yàn)殡S著無(wú)人機(jī)與主動(dòng)竊聽(tīng)者的距離減小,無(wú)人機(jī)到基站的信道容量減小,無(wú)人機(jī)到竊聽(tīng)者的信道容量增大,所以無(wú)人機(jī)的保密容量減小,無(wú)人機(jī)的保密性降低。隨著無(wú)人機(jī)高度降低,無(wú)人機(jī)的保密中斷概率的變化率增大,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)無(wú)人機(jī)處于基站和主動(dòng)竊聽(tīng)者中間時(shí),不同高度的無(wú)人機(jī)具有相同的保密中斷概率,此時(shí)無(wú)人機(jī)的保密性與其高度無(wú)關(guān)。

圖4 不同高度下SOP與yu的關(guān)系(ε=0.1)Fig.4 Relationship between SOP and yu under different heights(ε=0.1)

圖5展示了無(wú)人機(jī)位于不同的環(huán)境條件下,保密中斷概率與基站發(fā)射信號(hào)的功率的關(guān)系?？紤]了4種不同的地空環(huán)境,參數(shù)詳情如表2所示。

圖5 不同環(huán)境下SOP與Ps的關(guān)系Fig.5 Relationship between SOP and Ps under different environments

表2 環(huán)境參數(shù)

可以看出,隨著基站發(fā)射信號(hào)的功率增加,保密中斷概率下降,并且當(dāng)環(huán)境為高層建筑的城市時(shí),無(wú)人機(jī)的保密性能最好。因?yàn)閺慕紖^(qū)環(huán)境到高層建筑的城市環(huán)境,LoS信道概率降低,全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)者在高層建筑的城市經(jīng)歷更大的路徑損耗,在這種情況下,無(wú)人機(jī)在高層建筑的城市環(huán)境相比于其他環(huán)境能獲得更好的保密性能。

圖6展示了不同的干擾信號(hào)功率下,保密中斷概率與主動(dòng)竊聽(tīng)者的回環(huán)自干擾系數(shù)的關(guān)系。

圖6 不同干擾信號(hào)功率Pj下SOP與λ的關(guān)系Fig.6 Relationship between SOP and λ under different jamming signal power Pj

從圖6中可以看出,隨著干擾信號(hào)功率增加,無(wú)人機(jī)的保密性能降低,這是因?yàn)楦蓴_信號(hào)能顯著降低無(wú)人機(jī)的合法信道容量,從而降低無(wú)人機(jī)的保密容量;從主動(dòng)竊聽(tīng)者的角度出發(fā),其回環(huán)自干擾系數(shù)對(duì)其竊聽(tīng)能力有顯著影響。

4 結(jié) 論

針對(duì)無(wú)人機(jī)能量受限且通信易受竊聽(tīng)攻擊的特點(diǎn),提出一種基于能量采集的無(wú)人機(jī)無(wú)線供電通信模型,分析了其在全雙工主動(dòng)竊聽(tīng)下的物理層安全性能,建立基于仰角的地空信道模型,采用傳輸中斷約束下的最佳編碼策略,推導(dǎo)出無(wú)人機(jī)保密中斷概率的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果證明了該方法能在保證無(wú)人機(jī)通信可靠性的前提下,提高通信的安全性,并分析了基站發(fā)射功率、能量采集時(shí)間因子、環(huán)境等因素對(duì)無(wú)人機(jī)通信的安全性的影響,本文的理論分析可以為解決無(wú)人機(jī)能量受限的問(wèn)題,以及實(shí)際的無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有力指導(dǎo)。