基于放大轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作擁塞的窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層安全容量研究*

余昌盛,俞 立,洪 榛,陸 群(.浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,杭州 3004;2.諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)有限公司,杭州 30052;3.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州 3008)

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基于放大轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作擁塞的窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層安全容量研究*

余昌盛1,2,俞 立1,洪 榛3*,陸 群1
(1.浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,杭州 310014;2.諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)有限公司,杭州 310052;3.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,杭州 310018)

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技術(shù)發(fā)展迅猛,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的急劇增加及窄帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性,其安全問(wèn)題面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。針對(duì)NB-IoT的不可信或竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重安全威脅的問(wèn)題,利用其上下行信道狀態(tài)可知和半雙工的特性,提出利用中繼節(jié)點(diǎn)地放大轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)作擁塞及聯(lián)合協(xié)作保障物理層安全。放大轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)源信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)發(fā),協(xié)作擁塞節(jié)點(diǎn)發(fā)射干擾信號(hào),調(diào)整波束賦形因子和功率使干擾到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)為零而到達(dá)竊聽(tīng)者非零。仿真表明,中繼節(jié)點(diǎn)所帶來(lái)的分集增益能顯著改善接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量,提升5倍安全容量,在不需要加密算法的情況下,確保竊聽(tīng)者無(wú)法獲取有用信息,保證信息傳輸?shù)陌踩０踩萘渴侵负戏ń邮斩丝梢哉_接收,而竊聽(tīng)者即無(wú)法獲取信息的最大可達(dá)通信速率。

窄帶物聯(lián)網(wǎng);物理層安全;安全容量;放大轉(zhuǎn)發(fā);協(xié)作擁塞;放大協(xié)作擁塞

窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT是IoT領(lǐng)域一種新興的技術(shù),也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)。其構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò),上下行各180 kHz頻段,直接部署于2 G或4 G網(wǎng)絡(luò),以降低部署成本和實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。國(guó)際組織3 GPP在2016/6/16韓國(guó)釜山正式通過(guò)NB-IoT系列標(biāo)準(zhǔn)[1]。世界通信巨頭愛(ài)立信、諾基亞和華為等都宣布將支持NB-IoT[2]。NB-IoT具備四大特點(diǎn):一是廣覆蓋,比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)64倍,覆蓋面積擴(kuò)大100倍;二是大容量,一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接;三是低功耗,兩節(jié)AA電池NB-IoT終端的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年;四是低成本,單個(gè)連接模塊不超過(guò)3美元。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的急劇增加及窄帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性,容易受到信息竊聽(tīng)、消息篡改、節(jié)點(diǎn)冒充等攻擊,其安全問(wèn)題面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[3],迫切需要去研究和解決。

傳統(tǒng)安全措施是在物理層以上通過(guò)加密來(lái)保證信息的安全性,在圖1傳統(tǒng)加密模型中信息從Alice到Bob有密鑰加密和密鑰解密過(guò)程,竊聽(tīng)者Eve因沒(méi)有密鑰無(wú)法解密信息,但密鑰體系的算法能耗高、計(jì)算量大,對(duì)低功耗和有限內(nèi)存的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是個(gè)挑戰(zhàn)[4]。此外傳統(tǒng)加密算法基于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行破解設(shè)計(jì)的。但隨著高速量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),很多傳統(tǒng)加密算法將不再可靠。另一方面,無(wú)線信道的相位、時(shí)變、多徑、衰落等特性為物理層安全的研究提供了可能。Wyner在竊聽(tīng)信道模型(Wire-tap Channel Model)[5]下提出了物理層安全編碼(Security Coding)的概念,其系統(tǒng)模型如圖2 所示。他證明了秘密信息可以通過(guò)安全編碼以保密安全容量(Security Capacity)速率進(jìn)行傳輸,而無(wú)需使用密鑰加密。這里的安全容量是指合法接收端可以正確接收,而竊聽(tīng)者即無(wú)法獲取信息的最大可達(dá)通信速率。

圖1 傳統(tǒng)加密系統(tǒng)模型

圖2 基于物理層的安全系統(tǒng)模型

學(xué)者們也在研究物理層安全問(wèn)題。Li和Hu[6]等通過(guò)在竊聽(tīng)者的接收方向上添加人工噪聲干擾,大大降低了竊聽(tīng)者的信道質(zhì)量。Su和Mousavifar[7]等研究了解碼轉(zhuǎn)發(fā)DF(Decoded and Forward)策略和協(xié)作擁塞CJ(Cooperative Jamming)策略下協(xié)作通信物理層安全問(wèn)題,并在安全容量大小受限情況下推導(dǎo)出了每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的波束賦形因子和源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率,使得總功率最小;Zheng和Choo[8]等通過(guò)結(jié)合凸優(yōu)化和一維搜索的方法獲得了CJ 策略下協(xié)作通信物理層安全的優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[9-10]結(jié)合博弈論研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合作通信策略選擇的問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]還研究了多天線節(jié)點(diǎn)物理層安全容量問(wèn)題。但這些文獻(xiàn)都沒(méi)有研究協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量、距離以及功率分配與安全容量的關(guān)系。針對(duì)剛興起的NB-IoT,更未有學(xué)者研究其物理層安全相關(guān)問(wèn)題。利用NB-IoT具有蜂窩網(wǎng)絡(luò)上下行信道狀態(tài)可知、基站支持多天線、具有上行功率控制等特性,本文提出放大轉(zhuǎn)發(fā)AF(Amplify and Forward)、協(xié)作擁塞以及聯(lián)合協(xié)作通信物理層安全的優(yōu)化方案,推導(dǎo)出模型以及求解方法,研究中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置及功率與物理層安全容量的關(guān)系,以達(dá)到整體網(wǎng)絡(luò)能量和性能的最優(yōu)性。

1 系統(tǒng)模型

本文的NB-IoT系統(tǒng)選擇由4 G發(fā)展來(lái)的NB-LTE(Narrow Band Long Term Evolution)技術(shù)[12-13],研究網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)保密安全容量的優(yōu)化問(wèn)題,即中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量和位置及功率對(duì)物理層安全容量的關(guān)系。通過(guò)調(diào)節(jié)中繼節(jié)點(diǎn)的波束賦形因子來(lái)提升目的節(jié)點(diǎn)端的信噪比、降低竊聽(tīng)者端的信噪比,從而增大了系統(tǒng)的安全容量,利于數(shù)據(jù)保密傳輸?shù)耐瑫r(shí),節(jié)點(diǎn)又能夠獲得合適的信號(hào)發(fā)射功率,既可保證傳感器節(jié)點(diǎn)較長(zhǎng)時(shí)間的工作,又能使節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的對(duì)其他節(jié)點(diǎn)信道的干擾達(dá)到合理的范圍,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一種平衡的狀態(tài)。

協(xié)作通信NB-IoT系統(tǒng)模型如圖3所示。有一個(gè)NB-IoT基站D,采用兩天線技術(shù),其中源節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)R(RF為轉(zhuǎn)發(fā)中繼,RI為干擾中繼)、竊聽(tīng)者Eva均配置單天線。源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)R為分時(shí)工作功能對(duì)等的節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)S和中繼節(jié)點(diǎn)R總共數(shù)量為K個(gè)。某一時(shí)刻,源節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1,轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn)RF數(shù)量為M,干擾中繼節(jié)點(diǎn)RI數(shù)據(jù)為N,1+M+N≤K。根據(jù)NB-IoT的蜂窩網(wǎng)絡(luò)特性,所有節(jié)點(diǎn)與D之間的信道狀態(tài)均是已知,節(jié)點(diǎn)S和R可通過(guò)下行路損得知信道狀態(tài),基站D可以通過(guò)上行測(cè)量得知上行信道狀態(tài)[13]。基站D開(kāi)啟上行開(kāi)環(huán)功率控制功能,節(jié)點(diǎn)測(cè)量下行路損可動(dòng)態(tài)調(diào)整上行發(fā)射功率[13]。基于放大轉(zhuǎn)發(fā)AF和協(xié)作擁塞CJ聯(lián)合協(xié)作的安全容量建模和求解非常復(fù)雜,下面先對(duì)基于AF和基于CJ的安全容量分別建模,最后建模求解AF和CJ聯(lián)合協(xié)作的安全容量模型。

S為源節(jié)點(diǎn);RF為轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn);RI為干擾中繼節(jié)點(diǎn);D為NB-loT基站;Eva為竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)圖3 聯(lián)合AF和CJ的物理層安全NB-IoT系統(tǒng)竊聽(tīng)信道模型

2 物理層安全聯(lián)合協(xié)作問(wèn)題建模及求解

2.1 基于AF安全容量建模

中繼節(jié)點(diǎn)RF是放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼節(jié)點(diǎn),其AF策略包含了兩個(gè)階段。在第1個(gè)階段中,源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送已編碼符號(hào)x給M個(gè)放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼,放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼接收到的信號(hào)為:

(1)

式中:yRF[yRF1,…,yRFM]T是中繼接收到的信號(hào),Ps為S的發(fā)射功率。hSRF[hSRF1,…,hSRFM]T是源節(jié)點(diǎn)S和M個(gè)放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼RF之間的鏈路增益矩陣。nRF[nRF1,…,nRFM]T是中繼所接收到的高斯白噪聲。(·)T表示轉(zhuǎn)置矩陣。

在第 2 個(gè)階段里,M個(gè)中繼轉(zhuǎn)發(fā)所接收到信號(hào)yRF,包括有用信號(hào)和噪聲信號(hào),與此同時(shí)每個(gè)中繼還對(duì)發(fā)送的信號(hào)添加了波束賦形因子w[w1,…,wM]T。因此中繼轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)際信號(hào)為diag{w}yRF,其中diag{w}是以w為對(duì)角元素的對(duì)角矩陣。

所以在AF策略中,D和Eva(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為E)分別接收到如下信號(hào):

(2)

(3)

根據(jù)以上分析和香農(nóng)容量定理,AF策略下物理層安全模型主信道與竊聽(tīng)信道的容量公式分別為[14]:

(4)

綜上,AF策略下的通信安全容量CS-AF(單位:bit/s)為:

(5)

2.2 基于CJ通信安全容量建模

在AF策略中,中繼的作用是放大并轉(zhuǎn)發(fā)有用信號(hào)給目的節(jié)點(diǎn),而CJ策略則從另一個(gè)角度來(lái)使用中繼節(jié)點(diǎn)[15]。在CJ策略中,中繼主要充當(dāng)?shù)氖歉蓴_源的作用,當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S發(fā)射信號(hào)x給目的節(jié)點(diǎn)D時(shí),中繼RI同時(shí)發(fā)射一個(gè)獨(dú)立于x的帶波束賦形因子的干擾信號(hào)z,從而混淆竊聽(tīng)者E接收到的信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)波束賦形因子,使干擾信號(hào)對(duì)D 的影響盡量小,同時(shí)對(duì)E的影響盡量大,從而提升安全容量。

由以上分析可知,在CJ策略中,目的節(jié)點(diǎn)最終的接收信號(hào)為:

(6)

而竊聽(tīng)者E接收到的信號(hào)為:

(7)

所以,對(duì)應(yīng)兩條信道的信道容量公式分別為:

(8)

而CJ策略下的安全容量即CS-CJ(單位:bit/s)為:

(9)

2.3 基于ACJ通信安全容量建模及求解

AF和CJ策略各有不同作用,聯(lián)合ACJ策略各取其優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際是以AF策略物理層安全模型為基礎(chǔ),在第1個(gè)子幀中,M個(gè)AF中繼節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào),而在第2個(gè)時(shí)隙里,這M個(gè)AF中繼將此信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單放大轉(zhuǎn)發(fā),同時(shí)有N個(gè)CJ中繼發(fā)射干擾信號(hào),起到協(xié)作擁塞的作用,整個(gè)模型中使用的中繼數(shù)量為M+N。ACJ策略的竊聽(tīng)信道模型如圖3所示,分析可知ACJ策略安全容量公式:

(11)

為簡(jiǎn)化求解,先可求解協(xié)作擁塞節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)的安全容量最大化問(wèn)題,如下公式:

(12)

(13)

式中:

式中:‖hRID‖表示矩陣hRID的二范數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]研究AF方案下的最優(yōu)安全容量,可把式(10)安全容量最大化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為以下形式:

(14)

所以,目標(biāo)公式的上下界如下:

(15)

3 仿真結(jié)果分析

所有中繼都是對(duì)等的,即可作為源節(jié)點(diǎn)S也可成為RF或RI節(jié)點(diǎn)。在選擇中繼策略時(shí),所有中繼節(jié)點(diǎn)均測(cè)量自身的接收信噪比,當(dāng)此瞬時(shí)信噪比大于設(shè)定的門(mén)檻值SNRAF時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)選擇可使用AF策略來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)信息;當(dāng)小于設(shè)定的門(mén)檻值SNRAF且大于設(shè)定的SNRCJ門(mén)檻值時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)選擇可使用CJ策略來(lái)產(chǎn)生干擾信息;若此瞬時(shí)信噪比小于預(yù)設(shè)的門(mén)檻值SNRCJ或自身到基站D路損PLACJ大于設(shè)定的門(mén)檻值,則中繼節(jié)點(diǎn)則自動(dòng)切換為非協(xié)作模式。

接下來(lái)針對(duì)NB-IoT的ACJ協(xié)作通信安全容量進(jìn)行仿真分析,在MATLAB仿真平臺(tái)上對(duì)ACJ策略的安全容量性能與中繼數(shù)量、位置和功率分配進(jìn)行分析與對(duì)比。功率分配具體指的是在總功率限定情況下對(duì)源節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率進(jìn)行不同分配,仿真涉及了不同中繼數(shù)量和中繼節(jié)點(diǎn)處于不同位置的場(chǎng)景。仿真場(chǎng)景設(shè)置如下:一個(gè)源點(diǎn)S位于坐標(biāo)軸的圓點(diǎn)(0,0),一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)NB-IoT基站D位于坐標(biāo)軸(500,0)m,0～20個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R隨機(jī)分布在半徑為50m的圓內(nèi),圓心位置可變。開(kāi)啟開(kāi)環(huán)上行功率控制功能,周期上報(bào)功率余量報(bào)告,不存在功率縮放。所有中繼節(jié)點(diǎn)均配置單天線,目的節(jié)點(diǎn)D采用兩天線。源點(diǎn)S的發(fā)射功率PS可變,中繼總功率PR=Pmax-PS也跟隨PS的改變而改變。根據(jù)規(guī)范[17],窄帶物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與4G手機(jī)功率一樣都是200mW,其他仿真參數(shù)如表1所示,其中SNRAF、SNRCJ和PLACJ閾值根據(jù)規(guī)范[13]取得。

表1 仿真參數(shù)取值表

3.1 中繼數(shù)量變化對(duì)系統(tǒng)的影響

在上面基本仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)PS占總功率的80%為160 mW,PR為40 mW。中繼圓心位置為(50,0)m。AF和CJ節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別從1增加到5時(shí),ACJ策略下安全容量變化如圖4所示。

圖4 ACJ策略下安全容量與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化關(guān)系圖

3.2 中繼節(jié)點(diǎn)位置和功率變化對(duì)系統(tǒng)的影響

根據(jù)上面中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)安全容量性能影響的分析可以看出,越著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,對(duì)安全容量性能有些提升,但節(jié)點(diǎn)間干擾和功率損耗也在增加,降低了中繼節(jié)點(diǎn)的效率。選取4個(gè)放大轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)協(xié)作擁塞節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象,考察中繼節(jié)點(diǎn)位置和功率變化對(duì)系統(tǒng)安全容量的影響關(guān)系。

ACJ策略下安全容量在不同功率分配比情況下與中繼位置關(guān)系如圖5所示,當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)圓心位置發(fā)生變化時(shí),不同的功率分配策略帶來(lái)了不同的安全容量變化。

圖5 ACJ策略下安全容量與中繼位置和不同功率分配關(guān)系圖

仿真結(jié)果可總結(jié)為:

(1)當(dāng)PS占總功率50%及以上的時(shí)候,隨著中繼圓心遠(yuǎn)離源節(jié)點(diǎn),安全容量主要呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),并且PS越大,下降趨勢(shì)越明顯;此時(shí)主要是AF節(jié)點(diǎn)在影響系統(tǒng)的安全容量。PS越大,隨著中繼圓心遠(yuǎn)離源節(jié)點(diǎn),AF節(jié)點(diǎn)接收到的有用信號(hào)變化也越大,變小的有用信號(hào)和干擾同比例放大給目的節(jié)點(diǎn)并不能帶來(lái)很大的安全容量增益。

總之,當(dāng)中繼圓心靠近源節(jié)點(diǎn)而遠(yuǎn)離目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,PS更小、PR更大的功率分配策略將帶來(lái)更大的安全容量。因?yàn)榇藭r(shí)源節(jié)點(diǎn)離中繼較近,不需要很大的發(fā)射功率PS,而中繼距離目的節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn),需要較大的功率PR才能保證目的節(jié)點(diǎn)的接收性能。

4 結(jié)論

窄帶物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅猛,其物理層和高層規(guī)范已逐漸標(biāo)準(zhǔn)化[1,13]。針對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)的不可信或竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重安全威脅的問(wèn)題,提出利用中繼節(jié)點(diǎn)地放大轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)作擁塞及聯(lián)合協(xié)作策略保障物理層安全。仿真可知,中繼節(jié)點(diǎn)所帶來(lái)的分集增益能顯著改善接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量,大大提升安全容量和網(wǎng)絡(luò)容量[18]。對(duì)于低功耗和有限內(nèi)存的窄帶物理網(wǎng)節(jié)點(diǎn),物理層安全技術(shù)相對(duì)計(jì)算復(fù)雜的密鑰加密是個(gè)有效補(bǔ)充。物理層安全技術(shù)和上層簡(jiǎn)單加密安全機(jī)制結(jié)合,可以更大程序上保障無(wú)線通信的安全,節(jié)省能量消耗,延長(zhǎng)使用壽命。進(jìn)一步研究的工作可以考慮中繼節(jié)點(diǎn)配置多個(gè)天線,存在多個(gè)竊聽(tīng)者,竊聽(tīng)者位置未知等情形,以及考慮更多場(chǎng)景將能夠更全面地對(duì)相關(guān)性能進(jìn)行分析。

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余昌盛(1979-),男,浙江工業(yè)大學(xué)在職博士研究生,諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)有限公司LTE研發(fā)經(jīng)理,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng),chang_sheng.yu@nokia.com;

俞 立(1961-),男,教授,博士生導(dǎo)師,曾出版三本書(shū)和二百多篇學(xué)術(shù)期刊論文,主要研究方向?yàn)轸敯艨刂?網(wǎng)絡(luò)控制,傳感網(wǎng);

洪 榛(1983-),男,博士,副教授,計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)和自動(dòng)化學(xué)會(huì)會(huì)員,入選浙江省首批青年科學(xué)家計(jì)劃,浙江151新世紀(jì)人才第3層次,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)/物聯(lián)網(wǎng)理論及應(yīng)用、物理信息融合系統(tǒng)安全與數(shù)據(jù)安全,zhong@zstu.edu.cn;

陸 群(1988-),男,浙江工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)在讀博士研究生,主要研究興趣為機(jī)器人控制,視覺(jué)伺服,自適應(yīng)控制,傳感網(wǎng)。

NB-IoT Security Capacity Research in the Physical Based on Amplifer Forward and Cooperative Jamming Strategies*

YU Changsheng1,2,YU Li1,HONG Zhen3*,LU Qun1
(1.College of Information Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;2.Nokia Solutions and Networks System Technology,Hangzhou 310052,China;3.Colleage of Mechanical and Automatic Control,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

Narrow Band Internet of Things(NB-IoT)technology has developed rapidly in recent years,the security problem is facing a serious challenge with the sharp increase of the number of nodes and the openness of NB-IoT. In view of the problem of serious security threats to the non trusted or eavesdropping nodes of the NB-IoT,it is proposed that the physical layer security can be guaranteed by using the amplify and forward and cooperative congestion strategy of the relay nodes. Amplify and forward relay nodes amplify and forward the source signal,and the cooperative congestion node gives the eavesdropping node a greater interference signal than the destination node,which bring the diversity gain together. Simulation results show that the diversity gain brought by the relay nodes can significantly improve signal quality of receiving nodes,enhance channel and security capacity,and ensure that the eavesdropper can’t obtain the useful information even without high layer encryption algorithm.

NB-IoT;physical security;security capacity;amplify and forward;cooperative jamming;amplify and cooperative jamming

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(61304256);浙江省科技廳公益項(xiàng)目(2017C33153,2016C33034)

2016-08-05 修改日期:2016-12-07

TN92

A

1004-1699(2017)04-0575-07

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.016