基于協作干擾的全雙工中繼系統混合安全傳輸協議

周巍，高銳鋒，吉曉東，包志華

（南通大學電子信息學院，江蘇 南通 226001）

基于協作干擾的全雙工中繼系統混合安全傳輸協議

周巍，高銳鋒，吉曉東，包志華

（南通大學電子信息學院，江蘇 南通 226001）

針對全雙工中繼系統的安全問題，提出一種基于協作干擾的物理層安全混合傳輸協議。系統根據自身信道狀態信息，自適應地選擇基于中繼節點與信源節點輪流發送干擾（RSCJ）協議或基于中繼節點與目的節點輪流發送干擾（RDCJ）協議中安全容量相對較高的協議進行信息的傳輸。在全雙工節點自干擾因素被抑制的條件下，給出了系統的傳輸協議選擇策略，并理論推導了采用RSCJ或RDCJ傳輸協議下系統的安全中斷概率表達式。仿真結果表明，利用所提的混合安全傳輸協議可以顯著提高全雙工中繼系統的安全中斷性能，與傳統未利用協作干擾的傳輸機制相比，具有明顯的安全性能優勢。

物理層安全；協作干擾；全雙工；中繼系統；安全中斷概率

1 引言

近年來，物理層安全技術利用無線信道固有特性在無線通信安全性方面的研究受到廣泛關注。協作干擾技術是物理層安全技術的一個重要分支，2005年Negi R和Goel S[1]最早提出利用發送設備產生位于合法接收信道 “零空間”的高斯噪聲，在不影響合法用戶接收性能的情況下，干擾竊聽用戶的接收信噪比。在此基礎之上，參考文獻[2]提出了協作保密的概念，利用空閑用戶向竊聽用戶發送干擾。參考文獻[3,4]通過引入新的協作干擾節點，提高了系統的安全性，但新的干擾節點既增加了硬件成本又增加了與合法用戶之間的協作開銷。

協作干擾技術憑借能提高物理層安全速率方面的優勢，成為無線通信領域的熱點安全技術。而現有研究工作大多基于傳統的半雙工中繼系統。為了避免半雙工通信造成頻譜資源浪費，越來越多的學者開始致力于全雙工中繼系統的研究。參考文獻[5,6]只研究了點對點全雙工通信系統中全雙工接收用戶協作干擾的問題，但都未在中繼竊聽系統中展開研究。參考文獻[7]利用幾何方法解決全雙工中繼的干擾功率分配問題，由于只考慮竊聽用戶竊聽中繼節點的單一情況，其應用場景相對受限。參考文獻[8]在全雙工中繼系統中，利用信源與中繼向竊聽用戶輪流發送干擾信號的方式來保障通信安全，但只在高信噪比下展開了安全性能研究。

針對上述問題，本文基于全雙工中繼竊聽信道模型，在不引入額外干擾節點及考慮竊聽用戶竊聽兩階段信號傳輸的前提下，利用協作干擾技術提出了一種混合的安全傳輸協議。根據系統自身信道狀態信息，給出了對應的協議選擇策略，且在全雙工節點自干擾被抑制下，理論推導了不同傳輸協議下系統的安全中斷概率表達式。

2 系統模型及傳輸協議

考慮如圖 1所示的中繼竊聽信道模型，S為信源節點，D為目的節點，R為位于信源節點與目的節點之間的中繼節點，E為被動竊聽節點。假設中繼節點R與目的節點D能自由切換全雙工和半雙工工作模式，且分別配有兩根天線，用來接收和發送信號。信源節點S和竊聽節點E均處于半雙工工作模式，且只配有一根全向天線。信源節點S到目的節點D之間不存在直達鏈路。系統中所有節點之間的信道為平坦瑞利衰落信道，且各個信道之間是相互獨立的。中繼節點R采用譯碼轉發的方式轉發接收到的信息。

圖1 系統模型

這里，根據S、R與D節點輪流發送干擾信號方式的不同，提出一種混合的協作傳輸協議，即基于信源節點與中繼節點的協作干擾 （relay-and-source-based cooperative jamming，RSCJ）協議和基于中繼節點和目的節點的協作干擾 （relay-and-destination-based cooperative jamming，RDCJ）協議，其本質是系統根據自身信道狀態信息自適應地選擇安全容量相對較高的RSCJ或RDCJ協議下的傳輸機制。下面分別具體介紹RSCJ和RDCJ兩種干擾協議。

2.1 RSCJ傳輸協議

（1）協議描述

考慮圖1所示的系統模型，整個通信過程分兩個時隙完成。中繼節點R在第一時隙處于全雙工工作模式，到了第二時隙，R自動切換到半雙工工作模式。目的節點D在RSCJ協議下始終處于半雙工工作模式。

第一時隙，信源節點S向中繼節點R發送信號s的時候會被竊聽節點E竊聽，而全雙工中繼節點R在接收信源信號s的同時會向E發送干擾信號z，同時也受自身自干擾的影響。其中，自干擾的直射分量可通過天線隔離等技術消除，而殘余的散射分量可被視為信道衰落。

此時，中繼節點R接收到的信號為：

竊聽節點E接收到的信號為：

其中，hi為鏈路i（i∈SR,SE,RR）的瑞利信道增益；PS1和PR1分別為節點S和R第一時隙的發射功率；nR和nE1為節點R和E處的加性高斯白噪聲，且

第二時隙，中繼節點R處于半雙工的工作模式，中繼節點R將譯碼并重新編碼后的信號s′轉發給目的節點D，同時被竊聽節點E竊聽，此時，信源節點S向竊聽節點E發送干擾z′，由于第二時隙中繼節點R處于半雙工工作模式，所以干擾z′只對E產生影響。

此時，目的節點D接收到的信號為：

竊聽節點E接收到的信號為：

其中，hRD和hRE為中繼節點R分別到D與E的瑞利信道增益；PS2和PR2分別為節點S和R第二時隙的發射功率；nD和 nE2

（2）接收信噪比

第一時隙，根據式（1）與式（2），中繼節點R與竊聽節點E處的接收信噪比可分別表示為：

第二時隙，根據式（3）與式（4），目的節點D與竊聽節點E處的接收信噪比可分別表示為：

2.2 RDCJ傳輸協議

（1）協議描述

考慮圖1所示的系統模型，中繼節點R同樣能在全雙工和半雙工工作模式中進行自由切換，而目的節點D在RDCJ協議下始終為全雙工工作模式。整個通信過程仍然分兩個時隙完成。

RDCJ的第一時隙與RSCJ第一時隙描述的傳輸過程相同，信源節點S向中繼節點R發送信號s時會被竊聽節點E竊聽，而全雙工中繼節點R在接收信源信號s的同時會向E發送干擾信號，同時受自身自干擾的影響。

同樣地，中繼節點R和竊聽節點E接收到的信號分別與式（1）、式（2）相同。

第二時隙，中繼節點R將接收到的信號譯碼并重新編碼后轉發給目的節點D，會被竊聽節點E竊聽，而全雙工目的節點D在接收信號s′的同時向竊聽節點E發送干擾z′，同時也受自干擾的影響。由于第二時隙中繼節點R處于半雙工的工作模式，所以干擾z′只對竊聽節點E產生影響。

此時，目的節點D接收到的信號為：

竊聽節點E接收到的信號為：

其中，hDD為目的節點D的自干擾信道增益，PD為節點D的發射功率。

（2）接收信噪比

第二時隙，目的節點D與竊聽節點E處的接收信噪比可分別表示為：

3 協議選擇策略與性能分析

本節討論了系統基于安全容量的協議選擇策略，并以安全中斷概率為性能指標分析了基于RSCJ和RDCJ的混合傳輸協議的系統安全性能。這里，安全容量定義為CS= [CT-CE]+，其中，CT為合法傳輸信道容量，CE為竊聽信道容量，[x]+=max（0,x）[9]。而系統瞬時安全容量CS不能夠達到系統所要求的安全傳輸速率RS時的概率（即安全中斷概率），記為Pout=Pr{CS＜RS}，由于RS≥0，則Pr{[x]+＜RS}=Pr{x＜RS}。

3.1 傳輸協議選擇策略

在整個中繼通信過程中，由于每時隙信道狀態信息會發生變化，因而系統的安全容量也在不斷變化，而所提的混合傳輸協議就是根據竊聽節點不同的信噪比比較RSCJ與RDCJ系統的安全容量來判斷需要選擇哪種干擾協議來進行信息的傳輸。這里，設全雙工節點的自干擾信噪比抑制在0 dB，即γRR=γDD=0 dB，主信道信噪比 γSR=γRD。

由式（5）～式（8）可得，RSCJ第一時隙和第二時隙的安全容量分別表示為：

其中，1/2源于通信傳輸分兩個時隙完成。

此時，RSCJ系統的安全容量可表達為：

同理，根據式（5）和式（6），可得RDCJ第一時隙的安全容量與式（13）相同，即

由式（11）和式（12）可得RDCJ第二時隙的安全容量為：

同樣地，這里的1/2源于通信傳輸需要兩個時隙，則RDCJ系統的安全容量為：

根據式（17），RDCJ的安全容量同樣可簡化為：

假設主信道信噪比高于竊聽信道信噪比，下面分情況討論RSCJ與RDCJ各自的安全性能優勢并給出對應的協議選擇策略。定義如下3種情況：

C1:K1≥1，K1≥K2或K1＜1，K1＜K2且K1K2=1；

C2:1≤K1＜K2或K1＜1，K1＜K2且K1K2＞1；

C3:K2≤K1＜1或K1＜1，K1＜K2且K1K2＜1。

當 C1發生時，若 K1≥1且 K1≥K2，可得 RSCJ與 RDCJ的安全容量均為 CS1，即同理 ， 若 K1＜1，K1＜K2且 K1K2=1 則由于K1K2=1，得

當 C2發 生 時 ，若 1≤K1＜K2則可得若K1＜1，K1＜K2且K1K2＞1，可得

當C3發生時，若K2≤K1＜1可得若 K1＜1，K1＜K2且 K1K2＜1，可得

在本文中，利用協作干擾技術最直接的目的就是降低竊聽用戶的接收信噪比，因此，在主信道信噪比相同的情況下，傳輸協議的選擇主要取決于竊聽節點的接收信噪比。隨著信道狀態信息的不同，γSE、γRE和γDE的節點信噪比也不同，給出的協議選擇策略理由如下描述：當三者關系滿足C1時，RSCJ與RDCJ兩種協議的系統安全性能相同，也就是說，在此情況下，系統可以任意選擇其中一種協議進行有效的信息傳輸；而當C2發生時，由上述分析可知，RSCJ系統的安全容量始終高于RDCJ的安全容量，所以此時應選擇RSCJ協議；反之，當C3發生時，相比RSCJ，選擇RDCJ傳輸協議能使系統獲得更高的安全性能。需要說明的是，本文所提出的協議選擇策略不是一種迭代的算法，它只需完成一些簡單的比較運算，因此協議切換的復雜度很低。

基于上述的協議選擇策略，下面分別討論在RSCJ與RDCJ不同傳輸協議下系統的安全性能。

3.2 RSCJ性能分析

假設系統選擇了RSCJ協議，此時，安全容量表達式如式 （15）所示。為了簡便，令則RSCJ系統的安全中斷概率表示為：

由式（20）可知，要得到RSCJ系統安全中斷概率，只需求得FX（ξ）和FY1（ξ），下面給出具體計算過程。

對于平坦瑞利衰落信道，|hij|2服從均值為 λij的指數分布，在這里，設P/σ2=1，則γij服從均值為λij的指數分布。

則X的CDF可表達為：

其中：

同理可得，Y1的CDF可表達為：

將式（23）和式（27）代入式（20），就可得RSCJ系統的安全中斷概率。

3.3 RDCJ性能分析

假設系統選擇了RDCJ傳輸協議，根據式（17），同樣地，令則 RDCJ系統的安全中斷概率可表達為：

由于RDCJ第一時隙傳輸過程與RSCJ第一時隙傳輸過程相同，所以FX(ξ)可由式（23）給出，而Y2的CDF由如下計算得到。

則Y2的CDF可表達為：

其中：

將式（23）和式（31）代入式（8），最終，可得到RDCJ系統的安全中斷概率。

4 仿真與分析

本節以安全中斷概率為指標，通過計算機仿真來衡量本文所提的基于RSCJ與RDCJ的混合傳輸協議的系統安全性能。仿真中，假設噪聲功率σ2和節點發射功率P均設為1 W[8]，目標安全速率RS=0．5 bit/(s·Hz)，“NCJ”表示不采用協作干擾技術的方案。

圖2 γRR=γDD=0 dB,γSR=γRD=40 dB時竊聽信道信噪比γSE對系統安全性能的影響

圖2給出了不同傳輸協議在不同的竊聽信道信噪比γSE下的安全中斷概率曲線。如圖2所示，當γRE=20 dB、γDE=10 dB時，隨著竊聽信道信噪比γSE不斷增大，基于本文所提的混合協議，不管系統選擇RSCJ或RDCJ中的哪一種協議，其安全性能始終優于NCJ方案。當γSE＜10 dB，即γSE、γRE和γDE三者關系滿足C3時，選擇RDCJ協議系統的安全中斷概率低于選擇RSCJ協議的安全中斷概率；當10 dB＜γSE＜40 dB，即滿足C2時，選擇RSCJ協議相比選擇RDCJ能使系統獲得更高的安全性能；而當γSE≥40 dB或γSE=10 dB，三者關系滿足C1時，由于兩者的安全中斷概率基本相同，系統可以任意選擇RSCJ與RDCJ其中一種協議。由此，驗證了本文所提的協議選擇策略的有效性。

圖3和圖4分別給出了不同傳輸協議的系統在C2和C3下的安全中斷概率性能曲線。由圖3可知，當γSE=15 dB時，竊聽節點信噪比γSE、γRE和γDE三者關系滿足C2，采用RSCJ協議的系統安全性能最優；反之，如圖4所示，當γSE= 5 dB時，竊聽節點信噪比三者關系滿足C3，RDCJ表現出更為明顯的安全性能優勢，且不管選擇何種協議，利用協作干擾的系統始終比未利用協作干擾的方案的性能更優。此外，不同方案下的安全中斷概率的仿真值也與理論值相匹配，證明了理論分析的正確性。

圖3 γRR=γDD=0 dB，γRE=20 dB，γDE=10 dB時C2下不同傳輸協議系統的安全性能比較

圖4 γRR=γDD=0 dB，γRE=20 dB，γDE=10 dB時C3下不同傳輸協議系統的安全性能比較

圖5給出了在不同自干擾信噪比條件下的各傳輸協議下系統安全性能比較。如圖5所示，由于NCJ系統中節點都處于半雙工工作模式，所以節點不受自干擾因素的影響，其安全中斷概率保持不變。而RSCJ與RDCJ協議下的系統均受節點自干擾因素的影響，其劣勢也隨著γRR和γDD的增加變得尤為明顯。需要注意的是，當γRR=γDD＞8 dB時，無論竊聽用戶與合法用戶節點之間的信道質量如何，RSCJ系統的安全性能始終優于RDCJ的安全性能，這是因為對于RSCJ系統來說，只有一個自干擾因素γRR的影響，而RDCJ系統卻存在γRR和γDD兩個自干擾因素。這也意味著，只有當全雙工節點自干擾信噪比被抑制在較小范圍時，本文所提出的混合傳輸協議才能發揮較為明顯的安全性能優勢。

圖5 γRR=γDD=0 dB，γRE=15 dB時中繼節點自干擾因素對系統安全性能的影響

5 結束語

本文研究了全雙工中繼竊聽系統中的物理層安全傳輸問題，根據節點輪流發送干擾方式的不同，提出了一種基于RSCJ和RDCJ的混合傳輸協議，在不影響合法用戶接收性能的情況下，降低竊聽用戶接收信噪比，以提高系統的安全容量。此外，在考慮全雙工節點自干擾因素的條件下，給出了協議選擇策略并理論推導了采用RSCJ或RDCJ協議下系統的安全中斷概率表達式。研究發現，當全雙工節點自干擾被抑制時，根據竊聽節點信噪比的不同，利用本文所提混合協議自適應地選擇合適的傳輸協議相比單獨使用RSCJ或RDCJ或未利用協作干擾的方案，具有較為明顯的安全性能優勢。

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周巍（1991-），女，南通大學電子信息學院碩士生，主要研究方向為無線中繼系統中的物理層安全技術。

高銳鋒（1987-），男，南通大學電子信息學院博士生，主要研究方向為無線通信物理層安全。

吉曉東（1979-），男，博士，南通大學電子信息學院副教授，主要研究方向為中繼協作通信及無線網絡安全。

包志華（1955-），男，南通大學電子信息學院教授，主要研究方向為現代通信技術、通信信號處理、認知技術以及中繼協作等。

A hybrid cooperative jamming protocol for full-duplex relay wiretap system

ZHOU Wei,GAO Ruifeng,JI Xiaodong,BAO Zhihua
School of Electronics and Information,Nantong University,Nantong 226001,China

A hybrid cooperative jamming protocol was proposed to improve secrecy capacity for the full-duplex relay system with a passive eavesdropper,which chose the relay-and-source-based cooperative jamming(RSCJ)protocol or the relay-and-destination-based cooperative jamming(RDCJ)protocol according to the channel state information. Taking the self-interference at both the relay and the receiver into consideration,a protocol selection strategy was proposed and the expressions of secrecy outage probability of the system with RSCJ or RDCJ were derived. Simulation results show that the secrecy performance is significantly improved when the proposed hybrid cooperative jamming protocol is applied.Compared to the conventional transmission scheme,the proposed protocol has significant safety performance advantages.

physical layer security,cooperative jamming,full-duplex,relay system,secrecy outage probability

TN925

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017021

2016-11-07；

2017-01-09