基于雙向ANC中繼系統的協作干擾策略分析*

張宇陽，高媛媛，楊保峰，郭明喜，沙 楠

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210000)

基于雙向ANC中繼系統的協作干擾策略分析*

張宇陽，高媛媛，楊保峰，郭明喜，沙 楠

(解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210000)

模擬網絡編碼(Analog Network Coding, ANC)和協作干擾(Cooperative Jamming, CJ)都能夠提高無線通信系統的物理層安全性能。文章基于物理層安全理論，針對同時面對內部和外部竊聽者的雙向ANC中繼系統，提出了一種CJ策略。所提策略通過一個外部干擾節點來實施干擾，先優化受限的總干擾功率在各通信時隙間的功率分配，再優化受限的系統總功率在系統各合法節點間的功率分配，使雙向ANC中繼系統實現更好的物理層安全性能，并通過相應的理論分析和對特定場景的數值仿真進行了驗證。

模擬網絡編碼；協作干擾；物理層安全；功率分配

0 引言

模擬網絡編碼(Analog Network Coding, ANC)[1]是物理層網絡編碼(Physical-Layer Network Coding, PLNC)的一種，它主要基于放大轉發型中繼，充分利用無線電磁波信號的天然疊加，將該疊加看作編碼的一部分，而不需要相應的調制解調與映射機制實現編碼與解碼。因此，ANC的簡潔性和高效性受到了極大的關注。已有文獻[2]證明了PLNC還可以大幅提高無線通信系統的物理層安全性能。協作干擾(Cooperative Jamming, CJ)[3-4]作為一種主要的物理層安全技術之一，其基本思想是通過發送人為的噪聲或干擾信號，使其對竊聽節點的損害大于對合法接收節點的影響，從而達到提高無線通信系統物理層安全性能的目的。因此ANC和CJ的聯合應該可以進一步提高無線通信系統的物理層安全性能。現有的關于CJ策略的研究基本都是以系統總功率受限為前提，若是由外部干擾節點實施干擾，則通過優化系統各合法節點間的功率分配[3]；若是由信源實施干擾，則通過優化信源發射有用信號和干擾信號間的功率分配[4]，使系統的物理層安全性能最大化。然而，文獻[3]設定僅在第1時隙發射干擾信號，文獻[4]設定在第1、2時隙以相同功率發射干擾信號，它們都忽略了總干擾功率在各通信時隙間的功率優化分配問題。

本文的貢獻首先是對現有CJ策略研究的補充，考慮了干擾信號發射時隙的選擇和總干擾功率的優化分配問題，并在此基礎上研究了系統各合法節點間的功率優化分配問題，使CJ策略能達到真正意義上的最優；其次是本文所提策略對節約能源、提高系統能效大有幫助；最后是本文研究了同時存在外部竊聽者和內部竊聽者的模型，更具現實意義。

1 系統模型

本文的系統模型是在文獻[1]的雙向ANC中繼系統模型基礎上同時加入了內部和外部竊聽者兩個元素。如圖1所示，A、B是信源節點，R是中繼節點，此外R還具有另一個隱藏身份——內部竊聽者，即R同時行使中繼轉發和被動竊聽的功能，但A和B都不知道它的隱藏身份。該模型還考慮了一個外部竊聽者E。干擾信號由外部干擾節點J發射。每個節點都配備1根全向天線，信道是半雙工。

圖1 系統模型

2 物理層安全性能分析

2.1 聯合CJ的ANC傳輸機制

傳統傳輸機制完成一次雙向通信需要4個通信時隙：

(1)A→R:xA；(2)R→B:xA

(3)B→R:xB；(4)R→A:xB

不聯合CJ的ANC傳輸機制完成同樣的一次雙向通信需要2個通信時隙：

(1)A→R:xA,B→R:xB；(2)R→{A,B}:xA+xB

聯合CJ的ANC傳輸機制完成同樣的一次雙向通信需要2個通信時隙：

(1)

(2)

(3)

相應地A、B、E接收的信號可分別表示為：

(4)

(5)

(6)

因此，可以得到主信道、內部竊聽信道和外部竊聽信道的信道容量分別為:

(7)

(8)

(9)

所以該系統的安全容量可以表示為：

CS=[CM-CWI-CWE]+

(10)

其中，[x]+表示max{0,x}。

2.2 基于通信時隙的干擾功率優化分配

(11)

(12)

將式(11)、(12)代入式(10)可得系統的安全容量為：

CS(ρ)=[CM(ρ)-CWI(ρ)-CWE(ρ)]+

(13)

優化受限的總干擾功率在各通信時隙間的功率分配的目的是使系統的安全容量最大化，因此基于通信時隙的最優干擾功率分配因子為：

(14)

3 實驗仿真

圖2 各節點分布拓撲

根據文獻[6]的竊聽信道重要理論，當某區域安全容量CS>0時，在該區域內總是存在一種合適的編/解碼方案來實現安全通信，本文將該區域定義為安全區域。類似的，當某區域安全容量CS<0時，在該區域內，任何編/解碼方案均無法實現安全通信，本文將該區域定義為不安全區域。

3.1 基于不同傳輸機制的物理層安全性能分析

假設采用不同傳輸機制時系統總功率Ptotal保持3 W不變。圖3是以A、E間的距離dAE為X軸，系統的安全容量CS為Y軸的仿真圖，由圖3可知，采用傳統傳輸機制時系統的不安全區域范圍最大，采用不聯合CJ的ANC傳輸機制時系統的不安全區域范圍則大幅減小，而采用聯合CJ的ANC傳輸機制時系統的不安全區域則進一步減小。由此可知，相較于傳統傳輸機制，采用ANC傳輸可以大幅提高系統的物理層安全性能，在此基礎上再聯合CJ技術可進一步提高其物理層安全性能，因此在雙向ANC中繼系統中采用CJ是有效可行的。

圖3 基于不同傳輸機制的系統安全容量

3.2 基于通信時隙的干擾功率分配分析

假設J的發射功率不受系統總功率的限制，已知E停留在A的左側且dAE=-0.25，系統總功率Ptotal=3 W。圖4是以基于通信時隙的干擾功率分配因子ρ為X軸，系統的安全容量CS為Y軸的仿真圖，由圖4可知當總干擾功率相對較小時(PJ=0.1 W,1 W)，系統的安全容量是單調遞增函數，所以最優因子ρopt=1；當干擾功率相對較大時(PJ=10 W)，系統的安全容量是凸函數，存在一個非常接近于1的最優因子，并且其所對應的安全容量值與1所對應的安全容量值相差很小，所以可以近似地認為此類情況下的最優因子也為1。當最優因子為1時，協作干擾也更易操作實施。因此，本文認為基于通信時隙的最優干擾功率分配因子ρopt=1，提出了將有限的總干擾功率盡量集中在第1時隙來發干擾的CJ策略，這樣雙向ANC中繼系統的物理層安全性能可達到或趨近最高。

圖4 基于不同ρ的系統安全容量

3.3 基于系統合法節點的功率分配分析

在3.2節中，假設J的發射功率不受系統總功率的限制，是為了方便分析總干擾功率在各通信時隙的優化分配問題。然而，J作為系統中的一個合法節點，其發射功率應該受到系統總功率的限制，本次實驗就是對系統總功率受限和僅在第1時隙發干擾的情況下，對系統各合法節點間的功率優化分配問題進行仿真分析。假設系統總功率Ptotal保持不變，令(α1,α2)為基于系統合法節點的功率分配因子，系統各合法節點的發射功率和基于通信時隙的干擾功率分配因子可以表示為：

PJ=α1·Ptotal

(15)

PR=(1-α1)·α2·Ptotal

(16)

(17)

ρ=ρopt=1

(18)

將式(15)～(18)代入式(13)中可得系統的安全容量為CS(α1,α2)，基于系統合法節點的最優功率分配因子為:

(19)

圖5 基于不同(α1,α2)的系統安全容量

假設系統總功率Ptotal=3 W，外部竊聽者E停留在A的左側且dAE=-0.25。由圖5可知，當(α1,α2)=(0.58,0.7)時，系統的安全容量達到最大。也就是說，基于系統合法節點的最優功率分配因子(α1,α2)opt=(0.58,0.7)。在本文所提CJ策略的基礎上以(α1,α2)opt=(0.58,0.7)進行系統各合法節點的功率分配可使雙向ANC中繼系統的物理層安全性能最大化，實現CJ策略真正意義上的最優。

4 結論

本文首先對在雙向ANC中繼系統中采用CJ技術的可行性和有效性進行了驗證；其次通過尋求基于通信時隙的最優干擾功率分配因子，針對該系統提出了一種CJ策略，即將有限的總干擾功率盡量集中在第1時隙來發干擾，并對所提策略的意義進行了分析，發現其可以大幅提高系統能效，減少資源浪費，又便于操作實施；最后僅在第1時隙發干擾的基礎上對系統各合法節點的功率優化分配問題進行了研究，通過仿真分析得到了基于系統合法節點的最優功率分配因子。本文的分析思路和方法也適用于其他系統模型。

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Analysis of the cooperative jamming strategy based on two-way ANC relay systems

Zhang Yuyang，Gao Yuanyuan，Yang Baofeng，Guo Mingxi，Sha Nan

(College of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210000, China)

Analog network coding (ANC) and cooperative jamming (CJ) both can improve the physical layer security (PLS) performance of wireless communication systems. Based on the theory of the PLS, this paper proposes a CJ strategy according to the two-way ANC relay system in the presence of an internal and external eavesdroppers. The proposed strategy enables an external jammer node to transmit jamming signals to confuse eavesdroppers, and achieves the better PLS performance through the optimal total jamming power allocation among communication time slots and the optimal system total power allocation among legitimate nodes in the system. The corresponding theoretical analysis and simulation results verify that.

analog network coding; cooperative jamming; physical layer security; power allocation

國家自然科學基金資助項目(61301157，61501511)

TN918.91

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.07.019

張宇陽，高媛媛，楊保峰，等.基于雙向ANC中繼系統的協作干擾策略分析[J].微型機與應用，2017,36(7)：63-66.

2016-12-11)

張宇陽(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：物理層網絡編碼、物理層安全。

高媛媛(1968-)，通信作者，女，博士，博士生導師，主要研究方向：物理層安全、FTN、MIMO。E-mail:njyygao@sina.com。

楊保峰(1977-)，男，博士，副教授，主要研究方向：軟件無線電、抗干擾技術。