基于能量采集的友好干擾機(jī)輔助下多中繼系統(tǒng)安全傳輸方案

張廣大, 任清華, 樊志凱

(1. 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 陜西 西安 710077;2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050081)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息技術(shù)的重要組成,已被廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。通過(guò)互聯(lián)海量的設(shè)備,在第5代無(wú)線通信技術(shù)的支撐下,物聯(lián)網(wǎng)為用戶提供了各種便捷、高效的服務(wù),滿足了用戶對(duì)美好生活的多樣化、多層次需求。然而,由于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)自身的廣播特性和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布的隨機(jī)性,因此,在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中,信息既可被授權(quán)用戶訪問(wèn),也可以被非法用戶訪問(wèn),故更容易遭受到竊聽者的攻擊,造成信息的泄露[1-2]。為了強(qiáng)化無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的安全性和對(duì)抗竊聽攻擊能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)隱私的保護(hù),物理層安全技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為一種無(wú)密鑰的安全技術(shù),其為解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的信息安全問(wèn)題提供了新的思路和方法。它通過(guò)利用無(wú)線信道中各種傳輸特性,如:噪聲信號(hào)、載波頻率偏移和信道狀態(tài)信息(channel state information, CSI)等,通過(guò)最大化合法信道與竊聽信道之間的速率差異,提升通信網(wǎng)絡(luò)的保密性能。同時(shí),在當(dāng)前迅速增長(zhǎng)的計(jì)算能力對(duì)加密技術(shù)形成嚴(yán)重挑戰(zhàn)的背景下,物理層安全研究領(lǐng)域近年來(lái)備受關(guān)注[3]。

協(xié)同通信作為物理層安全技術(shù)的重要組成部分,既可以通過(guò)協(xié)作中繼方案以提高合法信道容量,也可以利用協(xié)作干擾方案降低竊聽信道容量,來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的保密性[4-5]。中繼選擇(relay selection, RS)作為協(xié)作中繼方案的重要策略之一,恰當(dāng)?shù)剡x擇中繼節(jié)點(diǎn),能夠在完成信息傳輸?shù)耐瑫r(shí),進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)的保密性能[6-8]。文獻(xiàn)[6]將RS轉(zhuǎn)換為預(yù)測(cè)和決策問(wèn)題,并針對(duì)不同場(chǎng)景提出了兩種基于Q學(xué)習(xí)的RS算法。結(jié)果表明,所提算法可以實(shí)現(xiàn)最佳保密性能并節(jié)省收斂時(shí)間。文獻(xiàn)[7]研究了多竊聽者下非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)網(wǎng)絡(luò)的物理層安全性能,提出了一種新型的、基于兩階段的RS安全方案,以最大化不同接收用戶處的保密容量。文獻(xiàn)[8]分析了Nakagami-m衰落下兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)的保密性能。首先,基于最大化保密容量準(zhǔn)則選擇最佳中繼;其次,推導(dǎo)出保密中斷概率的閉合表達(dá)式;最后,討論了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)保密性能的影響。協(xié)作干擾作為另一種有效的物理層安全技術(shù),利用友好干擾機(jī)將人工噪聲引入竊聽信道,以達(dá)到削弱竊聽信道質(zhì)量的目的。協(xié)作干擾主要包含兩種形式,一種是利用內(nèi)部友好節(jié)點(diǎn)發(fā)送干擾信號(hào)。如源節(jié)點(diǎn)[9]、目的節(jié)點(diǎn)[10]、中繼節(jié)點(diǎn)[11]等。另一種是借助外部的友好干擾機(jī)對(duì)竊聽節(jié)點(diǎn)的攻擊進(jìn)行干擾[12-14]。文獻(xiàn)[12]研究了由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)、一個(gè)竊聽節(jié)點(diǎn)和一個(gè)多天線協(xié)作干擾機(jī)構(gòu)成的保密通信,在非完美CSI下推導(dǎo)出了多種保密性能指標(biāo)的閉合表達(dá)式。文獻(xiàn)[13]研究了由一個(gè)基站、多個(gè)用戶和一個(gè)竊聽者組成的NOMA系統(tǒng)中的上行鏈路的保密性能。根據(jù)不同可用程度的CSI,提出了兩種可供友好干擾機(jī)選擇的物理層安全傳輸方案。文獻(xiàn)[14]分析了存在兩種攻擊模式的竊聽者的通信系統(tǒng)的保密性能,在考慮完美和非完美CSI情況下,提出了一種利用多天線友好干擾機(jī)的新型迫零波束成形安全傳輸方案。

由于無(wú)線通信信道具有天然開放性的特點(diǎn),因此,傳輸環(huán)境中各種噪聲和干擾對(duì)通信系統(tǒng)均可能造成不同程度的影響。而由頻分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生的大量同信道干擾(co-channel interference, CCI)作為干擾信號(hào)的一種重要組成,對(duì)網(wǎng)絡(luò)中合法信號(hào)的正常傳輸和接收已造成十分嚴(yán)重的干擾,進(jìn)而引起通信系統(tǒng)性能的下降[15]。隨著無(wú)線通信系統(tǒng)面臨的通信場(chǎng)景日益復(fù)雜,CCI問(wèn)題已經(jīng)成為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)急待解決的關(guān)鍵問(wèn)題和研究重點(diǎn)之一[16]。當(dāng)前,已有學(xué)者將CCI引入物理層安全中展開分析和討論[17-20]。文獻(xiàn)[17]研究了在CCI下、在基站上采用發(fā)射天線選擇方案,并同時(shí)在合法用戶上采用基于閾值的機(jī)會(huì)調(diào)度方案下的多用戶系統(tǒng)的保密性能。文獻(xiàn)[18]考慮了由單竊聽節(jié)點(diǎn)和多用戶節(jié)點(diǎn)組成的通信模型在CCI影響下系統(tǒng)的安全性和可靠性,并提出聯(lián)合用戶和干擾機(jī)選擇的安全傳輸方案,在最佳功率分配后,可以有效降低中斷概率和截獲概率之和。文獻(xiàn)[19]分析了多用戶場(chǎng)景下,蜂窩下行鏈路系統(tǒng)存在CCI時(shí)的保密性能,并依據(jù)CSI的可用程度,給出了兩種多用戶調(diào)度方案。結(jié)果表明,所提方案能夠有效降低CCI的影響。文獻(xiàn)[20]研究了在Nakagami-m衰落和同信道干擾下,多天線竊聽者對(duì)單輸入多輸出(single input multiple output, SIMO)系統(tǒng)保密性能的影響,推導(dǎo)出精確保密中斷概率的閉合表達(dá)式。特別地,針對(duì)多中繼場(chǎng)景,文獻(xiàn)[21]研究了CCI下基于放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward, AF)模式的多中繼網(wǎng)絡(luò)保密性能的影響。雖然上述文獻(xiàn)考慮了CCI對(duì)不同通信系統(tǒng)保密性能的影響,但它們大都局限于通過(guò)多天線技術(shù)或者資源分配方案提升系統(tǒng)的保密性能,而針對(duì)多中繼系統(tǒng)的研究較少。當(dāng)前文獻(xiàn)著眼于通過(guò)合理的資源調(diào)度實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)系統(tǒng)保密性能的目標(biāo),而如何解決能量資源的約束問(wèn)題,也是如今研究人員重點(diǎn)研究的課題之一。

本文的主要貢獻(xiàn)是為解決存在多個(gè)CCI和噪聲的情況下的多中繼系統(tǒng)合法信號(hào)的保密傳輸問(wèn)題,提出了一種利用RS和友好干擾機(jī)協(xié)作干擾的混合協(xié)作安全傳輸方案?；谧杂煽臻g損耗以及小尺度衰落相結(jié)合的傳播模型,在考慮中繼節(jié)點(diǎn)、合法用戶、竊聽者均受到CCI下,首先,對(duì)于部分CSI已知的不同條件下,得到隨機(jī)RS(random RS, RRS)和最佳RS(optimal RS, ORS)兩種RS策略。同時(shí),利用具有能量采集能力的友好干擾機(jī),從其接收信號(hào)中提取能量,用于在信息傳輸?shù)牡诙r(shí)隙進(jìn)行協(xié)作干擾。其次,推導(dǎo)出系統(tǒng)的保密中斷概率閉合表達(dá)式。最后,數(shù)值仿真驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性，并給出了典型參數(shù)對(duì)系統(tǒng)保密性能的影響。

1 系統(tǒng)和信道模型

1.1 系統(tǒng)模型

本文基于文獻(xiàn)[21]中的模型展開推廣,研究CCI下基于多中繼通信系統(tǒng)的保密傳輸方案。如圖1所示,系統(tǒng)由一個(gè)信號(hào)發(fā)射機(jī)S、M個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R1,R2,…,RM、一個(gè)具有能量采集功能的友好干擾機(jī)J、一個(gè)合法接收用戶(legitimate user, LU)和一個(gè)潛在的信號(hào)竊聽者(eavesdropper, EAV)構(gòu)成。其中,中繼節(jié)點(diǎn)均只配置單天線。另外,中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作方式為解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decade-and-forward, DF),所有節(jié)點(diǎn)均工作在半雙工模式。與此同時(shí),系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)均能夠收到來(lái)自同信道信號(hào)源以相應(yīng)功率PN發(fā)射的N個(gè)干擾信號(hào)I1,I2,…,IN。假設(shè)系統(tǒng)受到嚴(yán)重衰落和障礙物的影響,可以認(rèn)為發(fā)射機(jī)和合法用戶間無(wú)法建立直連鏈路S→U來(lái)完成通信,必須通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)輔助傳輸保密信號(hào)。與文獻(xiàn)[22]中的假設(shè)類似,考慮到網(wǎng)絡(luò)中CSI的反饋通道的傳輸能力有限和存在反饋延遲等原因,假設(shè)發(fā)射機(jī)S僅能夠獲取第一跳的CSI。

圖1 多中繼系統(tǒng)傳輸模型Fig.1 Multi-relay system transmission model

1.2 信號(hào)模型

從發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)到合法用戶接收的整個(gè)通信過(guò)程分為兩個(gè)時(shí)隙。

(1) 在第一時(shí)隙中,發(fā)射機(jī)S向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射保密信號(hào)xS。在CCI下,此時(shí),任意中繼節(jié)點(diǎn)Ri能夠接收到的信號(hào)表示為

(1)

式中:LSRi表示發(fā)射機(jī)S和第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Ri之間的距離;hSRi表示發(fā)射機(jī)S和第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Ri之間的平均信道增益;LInRi表示第n個(gè)同信道干擾和第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Ri之間的距離;hInRi表示第n個(gè)同信道干擾和第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)Ri之間的平均信道增益。

同時(shí),友好干擾機(jī)和竊聽者能夠接收到的信號(hào)為

(2)

(3)

式中:i∈{1,2,…,M};xIn表示干擾源發(fā)送的干擾信號(hào);PS表示發(fā)射機(jī)的信號(hào)發(fā)射功率。

根據(jù)式(1),可知中繼節(jié)點(diǎn)Ri接收信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR)為

(4)

由式(3)可知,竊聽者處的接收SINR為

(5)

在該時(shí)隙中,基于射頻信號(hào)能量采集,友好干擾機(jī)能夠采集到的能量為

(6)

(7)

(2) 在第二時(shí)隙中,在選擇出最佳中繼節(jié)點(diǎn)后,由中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)保密信號(hào)進(jìn)行重新編碼,將保密信號(hào)傳輸至合法接收用戶。于是,合法接收用戶U和竊聽節(jié)點(diǎn)E處接收信號(hào)yRiU和yRiE可分別表示為

(8)

(9)

設(shè)人工噪聲信號(hào)被合法用戶先驗(yàn)已知[24],經(jīng)過(guò)干擾自消除后能夠被完全消除,故合法用戶將不受其影響。因此,在合法用戶和竊聽者處的接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的SINR可表示為

(10)

(11)

2 RS策略

本文考慮在多中繼場(chǎng)景中存在潛在的信息安全問(wèn)題,制定恰當(dāng)?shù)腞S策略，以增強(qiáng)系統(tǒng)的保密性能?；诎l(fā)射機(jī)與合法用戶間不存在直連鏈路這一般假設(shè),發(fā)射機(jī)獲取全局CSI將十分困難,故本文依據(jù)系統(tǒng)的部分CSI。只考慮第一跳中CSI的可用程度,提出兩種RS方案,分別是基于無(wú)CSI和基于部分CSI的隨機(jī)RS策略和最佳RS策略。

2.1 隨機(jī)RS策略

在發(fā)射機(jī)缺乏任何CSI的情況下,通常采用隨機(jī)RS方案[25],在給出的符合條件的中繼集合中隨機(jī)選擇中繼節(jié)點(diǎn)Ri,將保密信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至合法用戶處。具體選擇準(zhǔn)則為

(12)

式中:rand(·)表示隨機(jī)函數(shù)。

2.2 最佳RS策略

在發(fā)射機(jī)能夠掌握第一跳中的全部CSI的情況下,即當(dāng)發(fā)射機(jī)已知鏈路S→R和鏈路S→E的CSI時(shí),此時(shí)將能夠?qū)崿F(xiàn)該階段最大保密容量的中繼節(jié)點(diǎn)視為最佳中繼節(jié)點(diǎn)。特別地,本文考慮到最佳節(jié)點(diǎn)的可用性,設(shè)定具體選擇準(zhǔn)則為

(13)

3 保密性能分析

保密中斷概率作為物理層安全中衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),是指瞬時(shí)保密容量CS小于某一預(yù)設(shè)目標(biāo)保密傳輸速率RS的概率。本節(jié)給出基于兩種RS方案的保密中斷概率表達(dá)式,用作系統(tǒng)保密性能指標(biāo)。具體定義為

Pout(RS)=Pr(CS≤RS)

(14)

式中:CS表示系統(tǒng)的保密容量;RS為預(yù)先給定的目標(biāo)保密速率。

由于在兩跳協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中,系統(tǒng)合法信號(hào)傳輸從源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)，再到目的節(jié)點(diǎn),若任意一跳產(chǎn)生中斷,通信過(guò)程將失敗。結(jié)合系統(tǒng)模型可知,竊聽者E能夠竊聽在SRi和RiU傳輸期間的信息。因此,基于DF模式的兩跳中繼系統(tǒng)保密容量可表示為

CS=min(CS1,CS2)

(15)

式中:CS1和CS2分別表示信道S→R和R→U中能夠達(dá)到的保密容量。具體為

(16)

(17)

式中:[x]+=max{x,0},CSRi和CRiU表示不同時(shí)隙下合法信道的信道容量;CSE和CRiE表示不同時(shí)隙下竊聽信道的信道容量。

將式(15)代入式(14),有:

(18)

由式(18)可知,系統(tǒng)保密中斷概率由P1和P2構(gòu)成,下面計(jì)算不同傳輸階段下的保密中斷概率。

3.1 發(fā)射機(jī)至中繼節(jié)點(diǎn)信道分析

3.1.1 隨機(jī)RS策略

根據(jù)式(16),結(jié)合隨機(jī)RS準(zhǔn)則可知P1的表達(dá)式為

P1=Pr(CS1

Pr(γSRi<δ(1+γSE)-1)=

(19)

式中:FγS Ri(·)和fγS E(·)分別表示累積分布函數(shù)(cumulative distribution function, CDF)和概率密度函數(shù)(probability density function, PDF),且δ=22RS,證明見命題1。

命題 1由于同信道干擾信號(hào)所有信道服從獨(dú)立同分布,因此FγS Ri(x)和fγS E(y)可由下式表示:

exp(-(λB1+λA1x)w)dw=

(20)

(21)

(22)

SINRγS Ri的CDF和SINRγSE的PDF可計(jì)算如下:

FγS Ri(x)=Pr(γSRi

(23)

(24)

聯(lián)合式(23)和式(24),并結(jié)合指數(shù)分布的CDF和PDF,有FA1(x+xw)=1-exp(-λA1(x+xw))。經(jīng)過(guò)有限步驟計(jì)算后,CDFFγS Ri(x)可表示為

(25)

(26)

根據(jù)式(19),將式(25)和式(26)代入后,P1的表達(dá)式為

(27)

式中:

(28)

(29)

(30)

詳細(xì)計(jì)算過(guò)程見命題2。

證畢

命題 2為了簡(jiǎn)單表示,將單積分形式表示為參數(shù)表達(dá)式,下面對(duì)式(29)、式(30)進(jìn)行求解。

證明(1) 當(dāng)β1≠β2時(shí),此時(shí),被積函數(shù)I1.1和I2.1可被重寫為

(31)

(32)

式中:

(35)

根據(jù)積分文獻(xiàn)[26],式(29)、式(30)積分求解后的解析表達(dá)式見式(46)和式(47)。

(2) 當(dāng)β1=β2=β,此時(shí),可將式(29)、式(30)重寫為

(36)

(37)

利用公式積分求解后得到

I1(β1,β2,β3)=I1(β,β,β3)=Nexp(ββ3)×

(38)

I2(β1,β2,β3)=I2(β,β,β3)=λA2exp(ββ3)×

(39)

(3) 特別地,當(dāng)β3=0時(shí),有

a.當(dāng)β1≠β2,代入求解積分后有:

(40)

b.當(dāng)β1=β2=β,代入求解積分后有:

(41)

證畢

3.1.2 最佳RS策略

由最佳RS準(zhǔn)則,可得對(duì)應(yīng)的保密中斷概率為

(42)

由式(13)可知,最佳RS策略中合法信道的CDF可表示為

(43)

由命題1中式(23)～式(26),中繼節(jié)點(diǎn)處接收信號(hào)的SINR對(duì)應(yīng)的CDF為

(44)

由式(42)和式(44)代入后解得最佳中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的保密中斷概率為

[I1(α2,α5,mλA1δ+λA2)+I2(α2,α5,mλA1δ+λA2)]

(45)

(46)

(47)

3.2 中繼節(jié)點(diǎn)至合法用戶信道分析

由于兩跳協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中,第一跳信道與第二跳信道具有獨(dú)立性,因此,將式(17)代入式(18)后,可得P2表達(dá)式為

Pr(γRiU<22RS(1+γRiE)-1)=

Pr(X<δ(1+Y)-1)=

(48)

式(48)中,令X=γRiU,Y=γRiE。根據(jù)式(10)和式(11),結(jié)合命題1中部分證明過(guò)程,則X和Y對(duì)應(yīng)的CDF可表示為

(49)

命題 3第二時(shí)隙中,竊聽節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的SINR對(duì)應(yīng)的CDF為

(50)

證明由式(11)有

(51)

(52)

FZ(z)=Pr(K|hJE|2

(53)

根據(jù)K的表達(dá)式可知CDFFK(k)為

(54)

將式(54)代入式(53),由文獻(xiàn)[26]中的公式可得

(55)

K1(x)為第二類修正貝塞爾函數(shù)。

由式(24)可知,PDFfV(v)為

(56)

聯(lián)合式(55)和式(56),代入式(52),可得式(50)。其中,E1(x)為指數(shù)積分函數(shù)。

證畢

可以看到,由于被積函數(shù)形式十分復(fù)雜,因此,根據(jù)CDF的性質(zhì),同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[21],進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化后有:

(57)

(58)

(59)

由分部積分法,可將式(48)重寫為

(60)

下面分別計(jì)算P2.1和P2.2:

(61)

(62)

求解積分后,有:

P2.1=D2(N-1)×

(63)

P2.2=D1N×

(64)

式中:Γ(x)表示伽馬函數(shù),對(duì)應(yīng)參數(shù)為

結(jié)合式(18)、式(27)、式(63)和式(64),可得保密中斷概率的閉合表達(dá)式。

4 仿真結(jié)果與討論

本節(jié)對(duì)基于能量采集的友好干擾機(jī)輔助下的多中繼系統(tǒng)的性能進(jìn)行數(shù)值分析和仿真驗(yàn)證,從保密中斷概率角度分析CCI下所提安全傳輸方案下系統(tǒng)的保密性能。為了驗(yàn)證所提方案的有效性,本文設(shè)置并統(tǒng)一在CCI環(huán)境下的有關(guān)仿真參數(shù)后,與以下文獻(xiàn)中的安全方案進(jìn)行仿真對(duì)比:① 方案I:基于能量采集的多RS的安全傳輸方案[27],在控制竊聽節(jié)點(diǎn)數(shù)目的基礎(chǔ)上,用于對(duì)比協(xié)作干擾方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響。② 方案II:基于聯(lián)合中繼和友好干擾機(jī)選擇的安全傳輸方案[28],在控制中間節(jié)點(diǎn)數(shù)目的基礎(chǔ)上,用于對(duì)比RS方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本節(jié)仿真采用蒙特卡羅方法,所有的仿真結(jié)果均是由106次仿真后取平均值得到的。具體的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示,后文中如無(wú)特殊說(shuō)明,仿真中均使用表1中所給出的參數(shù)值。

表1 系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置

4.2 結(jié)果分析與討論

圖2展示了不同方案下系統(tǒng)保密中斷概率隨發(fā)射機(jī)發(fā)射信噪比的變化情況。從圖2中可以看到,本文所提方案在高信噪比的區(qū)域,系統(tǒng)保密性能表現(xiàn)更好,能夠有效對(duì)抗CCI的影響,仿真值與解析值結(jié)果吻合情況較好,這符合文獻(xiàn)中進(jìn)行簡(jiǎn)化的假設(shè)條件,同時(shí)證明了系統(tǒng)保密中斷概率閉合表達(dá)式推導(dǎo)的準(zhǔn)確性。如圖2所示,3種方案最終都能收斂到一個(gè)門限值,這是因?yàn)殡S著發(fā)射機(jī)信噪比的增大,合法信號(hào)在合法用戶和竊聽者處的SINR都同時(shí)增大。因此,保密中斷概率將逐漸收斂。另外,仿真結(jié)果表明,在給定相同發(fā)射信噪比的約束下,在同一方案中,當(dāng)保密速率RS由0.2 bit/s/Hz增加到0.4 bit/s/Hz時(shí),盡管設(shè)定更高的保密速率RS能夠獲得更好的系統(tǒng)性能,但保密中斷概率的增加意味著發(fā)射機(jī)與合法用戶之間的保密傳輸更有可能被竊聽者成功攔截。

圖2 不同方案下系統(tǒng)保密中斷概率隨發(fā)射信噪比變化圖Fig.2 System secrecy outage probability achieved by different scheme versus signal to noise ratio of transmission

圖3比較了本文所提方案中RRS和ORS兩種RS策略的保密中斷性能隨發(fā)射信噪比的變化曲線圖。由圖3可以看到,當(dāng)目標(biāo)保密速率RS為0.4 bit/s/Hz時(shí),不同RS策略對(duì)應(yīng)的保密中斷概率均呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì),進(jìn)而收斂。同時(shí),隨著發(fā)射信噪比的增加,最佳中繼選擇策略相較于隨機(jī)中繼策略具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)镺RS策略考慮了系統(tǒng)的保密性能,根據(jù)CSI做出有利選擇,表明CSI對(duì)于無(wú)線通信傳輸性能的提升起到了關(guān)鍵作用。另外,對(duì)于相同的RS策略而言,干擾源數(shù)目的增加對(duì)RS策略起到負(fù)面的作用,當(dāng)干擾源數(shù)目N由8減少到5時(shí),系統(tǒng)保密中斷概率在低信噪比時(shí)有明顯降低,系統(tǒng)保密性能變得更好,而當(dāng)發(fā)射信噪比逐漸增加后,干擾源數(shù)目對(duì)保密性能的提升逐漸減弱。這是由于,對(duì)于足夠大的高信噪比而言,CCI在各節(jié)點(diǎn)處的接收信干噪比中占比將可忽略不計(jì),所以其對(duì)系統(tǒng)的影響隨之減小。

圖4給出了系統(tǒng)保密中斷概率隨PS因子ρ的變化曲線圖。

圖3 兩種RS策略下的系統(tǒng)保密性能比較Fig.3 Comparison of system secrecy performance under two RS strategies

圖4 系統(tǒng)保密中斷概率隨PS因子的變化圖Fig.4 System secrecy outage probability achieved by proposed scheme versus PS factor

如圖4所示,可以得到:① 隨著PS因子的增加,系統(tǒng)保密中斷概率先減小而后隨之增大,系統(tǒng)的保密概率在PS因子從0.1增加到0.5左右后增強(qiáng),這主要是因?yàn)?當(dāng)PS因子在該范圍內(nèi)增大時(shí),友好干擾機(jī)中的信息傳輸(information transmission, IT)模塊得到了更多的能量,增加了人工噪聲的干擾信號(hào)發(fā)射功率,進(jìn)一步降低了竊聽者處接收的SINR。因此,保密中斷概率不斷下降。此外,當(dāng)PS因子ρ高于最優(yōu)值后,保密中斷概率逐漸上升,原因在于友好干擾機(jī)中用于信號(hào)接收任務(wù)的能量降低,導(dǎo)致接收到的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)友好干擾機(jī)信號(hào)傳輸造成負(fù)面影響。② 當(dāng)干擾噪聲比(interference noise to ratio, INR)為2 dB或4 dB時(shí),更高的能量轉(zhuǎn)化效率能夠提升友好干擾機(jī)采集的能量,增強(qiáng)系統(tǒng)保密性能。而當(dāng)η相同時(shí),干擾信噪比的增加,對(duì)系統(tǒng)保密性能提升顯著,這表明在一定情況下,增加干擾信噪比能夠提升保密性能。③ 對(duì)比不同的INR和η可以看到,盡管干擾信噪比減小,使得合法用戶和竊聽者的接收信號(hào)SINR均增大,但當(dāng)η增大且ρ設(shè)置合理時(shí),系統(tǒng)保密性能仍然能夠得到提升。這說(shuō)明,友好干擾機(jī)的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)保密性能具有十分重要的作用,同時(shí)可以看到,不同的參數(shù)設(shè)置為增強(qiáng)系統(tǒng)保密性能提供了多樣的思路和方案。

圖5研究了系統(tǒng)保密中斷概率隨干擾源數(shù)目N的變化曲線圖。

圖5 系統(tǒng)保密中斷概率隨干擾源數(shù)目N的變化圖Fig.5 System secrecy outage probability achieved by proposed scheme versus number of interference N

如圖5所示,當(dāng)干擾源數(shù)目不斷增加時(shí),系統(tǒng)保密中斷概率將隨之不斷減小。這是因?yàn)?CCI對(duì)竊聽信道的影響要更為顯著,N的增加會(huì)提供更多能量而用于發(fā)送人工噪聲。當(dāng)INR相同時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加也能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的保密性能,這是因?yàn)?在本文方案中,增加中繼節(jié)點(diǎn)為RS策略提供了更多的備選節(jié)點(diǎn),出現(xiàn)保密性更好的節(jié)點(diǎn)概率更大,故系統(tǒng)中斷概率進(jìn)一步下降。對(duì)比不同曲線可以看到,當(dāng)N=10,INR=2 dB或INR=4 dB時(shí),若中繼數(shù)目M從4增加至8,系統(tǒng)保密中斷概率分別降低約0.106和0.034。而當(dāng)N=10,M=4或M=8時(shí),若INR從2 dB增加至4 dB,系統(tǒng)保密中斷概率分別降低約0.086和0.016。這表明在一定條件下,RS策略相較于協(xié)作干擾對(duì)提升系統(tǒng)的保密性能而言更為重要。因此,本文所提方案具有有效性。

5 結(jié) 論

多中繼協(xié)作技術(shù)作為第5代移動(dòng)通信技術(shù)的重要組成部分,如何實(shí)現(xiàn)多中繼系統(tǒng)中信息的安全、可靠傳輸在當(dāng)前具有十分重要的意義。本文針對(duì)多中繼傳輸系統(tǒng)在非理想信道條件下的信息安全問(wèn)題和節(jié)點(diǎn)資源受限困境,提出了一種將中繼選擇與協(xié)作干擾相結(jié)合的混合協(xié)作物理層安全傳輸方案,通過(guò)基于能量采集的友好干擾機(jī),在進(jìn)行協(xié)作干擾的同時(shí)，節(jié)約了資源,并且提升了能量的利用效率。首先,在信息傳輸?shù)牡谝浑A段,當(dāng)部分CSI已知情況時(shí),給出了兩種RS策略。在信息傳輸?shù)牡诙A段,友好干擾機(jī)利用采集的能量向潛在的竊聽者發(fā)送人工噪聲信號(hào),對(duì)抗竊聽者的被動(dòng)攻擊,達(dá)到保密傳輸?shù)哪康?接著,在考慮CCI的傳輸環(huán)境下,推導(dǎo)出系統(tǒng)保密中斷概率閉合表達(dá)式;最后,利用蒙特卡羅仿真方法分析了有關(guān)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)保密性能的影響,得到的相關(guān)結(jié)論具有一定的實(shí)際意義。下一步,將在考慮CCI的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究非完美CSI對(duì)多中繼系統(tǒng)的保密性能的影響。