人工干擾下的中繼不可信協(xié)同傳輸通信系統(tǒng)物理層安全技術(shù)研究

張倩倩 劉倩 廖舒萌

摘 要：文章針對(duì)中繼不可信的協(xié)同通信系統(tǒng)，采用在信源端發(fā)送信號(hào)的同時(shí)發(fā)送人工干擾信號(hào)的方式來(lái)提高系統(tǒng)的安全性能，使用貪心算法對(duì)信源功率進(jìn)行分配，以求得最大的安全容量，并在此基礎(chǔ)上研究了外部竊聽節(jié)點(diǎn)同時(shí)存在的情況。從仿真結(jié)果可知該方案在對(duì)抗內(nèi)、外部竊聽節(jié)點(diǎn)時(shí)是安全有效的。

關(guān)鍵詞：中繼不可信；人工干擾；外部竊聽節(jié)點(diǎn)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線通信逐漸成為通信技術(shù)發(fā)展的前沿，并在人們的日常生活中得到了極其廣泛的應(yīng)用。無(wú)線通信由于其信道的開放性和廣播特性特點(diǎn)，很容易受到竊聽等安全威脅，因此，其安全性能的提高也受到越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是在涉及國(guó)家安全、軍事、外交及商業(yè)機(jī)密等領(lǐng)域。傳統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)安全的研究主要集中于上層密鑰加密體制，然而，近年來(lái)從物理層的角度對(duì)無(wú)線通信安全性的研究正蓬勃發(fā)展。物理層安全的本質(zhì)在于利用信道的噪聲和多徑特性的不確定性來(lái)加密發(fā)送信息，使竊聽者獲得發(fā)送信號(hào)的信息量趨向于零。Wyner[1]于1975年建立了竊聽信道模型，并且最早提出用安全容量來(lái)描述通信的安全問(wèn)題。后來(lái)，Leung等[2]研究了在白高斯噪聲下的竊聽信道特性，Csiszar等[3]歸納總結(jié)了Wyner的方法，并將其運(yùn)用于廣播信道的秘密信息傳播。目前，物理層安全技術(shù)的研究主要集中于協(xié)同通信網(wǎng)、雙向中繼網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)等[4-6]。研究表明，采用中繼協(xié)同的手段有助于無(wú)線通信系統(tǒng)信息傳輸安全性能的提升，因而現(xiàn)有關(guān)于物理層安全的研究多集中于中繼協(xié)同方面。但到目前為止，多數(shù)研究均假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)是可信的，然而在很多實(shí)際情況下中繼節(jié)點(diǎn)可能是不可信或者安全等級(jí)較低的。

本文擬對(duì)中繼不可信的協(xié)同傳輸通信系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用信源端同時(shí)發(fā)送源信號(hào)和人工干擾信號(hào)的方式來(lái)提高系統(tǒng)的安全性能。本文采用貪心算法對(duì)信源總傳輸功率進(jìn)行分配，以獲得最大的安全容量。以二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例，本文還仿真了目的節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)的誤碼率性能。本文分析中假設(shè)不可信中繼（內(nèi)部竊聽者）和系統(tǒng)外部竊聽節(jié)點(diǎn)同時(shí)存在，所得結(jié)論同樣適用于僅有不可信中繼的系統(tǒng)場(chǎng)景。

1 系統(tǒng)模型

本文考慮的系統(tǒng)模型如圖1所示，這里假設(shè)兩信源之間沒(méi)有直接通路，只能通過(guò)不可信中繼進(jìn)行信息協(xié)同傳輸。用S表示信源，S，SJ分別表示為信源S發(fā)送的有用信號(hào)與干擾信號(hào)（目地節(jié)點(diǎn)已知），R為不可信的中繼節(jié)點(diǎn)，D為目的節(jié)點(diǎn)，E為外部竊聽節(jié)點(diǎn)。S-R，R-D，S-E的信道衰落分別為h1，h2，h3這里假設(shè)信道衰落為瑞利衰落。

步驟三：將PS，PJ帶入公式（13）求解，并保存所得解。

步驟四：將步驟三所得到的值中的最大值取出，并保存。

同理可得不存在外部竊聽節(jié)點(diǎn)時(shí)使用貪心算法實(shí)現(xiàn)最佳功率分配的方案。

我們假設(shè)系統(tǒng)噪聲方差為σ2=1，傳輸帶寬W=1，信道衰落為瑞利衰落。

為了進(jìn)行對(duì)比，我們分別采用貪心算法和平均算法對(duì)信源發(fā)送功率進(jìn)行分配，并分別比較了有、無(wú)外部竊聽者時(shí)系統(tǒng)安全容量隨信源發(fā)送功率變化關(guān)系，如圖2所示。從圖中曲線可以看出，當(dāng)有外部竊聽者時(shí)，采用貪心算法所取得的安全容量一直大于平均算法得到的安全容量；而無(wú)外部竊聽者時(shí)，當(dāng)發(fā)送功率小于16 dB采用貪心算法獲得的安全容量大于平均算法，大于16 dB時(shí)兩曲線重合，安全容量相等。這說(shuō)明，無(wú)論外部竊聽者是否存在，采用貪心算法進(jìn)行干擾信號(hào)功率分配系統(tǒng)均可獲得更好的安全性能，只是在外部竊聽者存在時(shí)更具性能優(yōu)勢(shì)。

一般來(lái)講，外部竊聽者都是比較隱蔽的，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送信號(hào)時(shí)很難事先知道是否存在外部竊聽者欲對(duì)傳輸信息進(jìn)行竊聽，因而為保證信息傳輸?shù)陌踩阅埽垂?jié)點(diǎn)在發(fā)送信號(hào)時(shí)最好采用貪心算法。

3 結(jié)語(yǔ)

目前針對(duì)中繼不可信的協(xié)同傳輸通信系統(tǒng)的物理層安全技術(shù)的研究已經(jīng)很多，且通過(guò)加入人工干擾噪聲的方式來(lái)對(duì)抗不可信中繼的方案也已經(jīng)比較多。但是多數(shù)采用信號(hào)與干擾信號(hào)分開發(fā)送的方式，如增加外部干擾節(jié)點(diǎn)、在目的端發(fā)送干擾等。本文采用在信源端發(fā)送信號(hào)的同時(shí)發(fā)送干擾信號(hào)的方式對(duì)抗不可信中繼，采用貪心算法進(jìn)行最佳的功率分配以求得最大安全容量，并在此基礎(chǔ)上研究了存在外部竊聽節(jié)點(diǎn)的情況。從仿真結(jié)果可以看出，本文方案可安全、有效地對(duì)抗不可信中繼及外部竊聽節(jié)點(diǎn)的竊聽。

[參考文獻(xiàn)]

[1]WYNER A D.The wire- tap channel[J].Bell System Technical Journal，1975（8）：1355-1387.

[2]LEUNG S K，HELLMAN M E.The Gaussian wire-tap channel[J].IEEE Transaction on Information Theory，1978（4）：451-456.

[3]CSISZAR I，KORNER J.Broadcast channels with confidential messages[J].IEEE Transaction on Information Theory，1978（3）：339-348.

[4]HE X，YENER A.Cooperation with an untrusted relay： a secrecy perspective[J].IEEE Transaction on Information Theory，2010（8）：3807-3827.

[5]HE X，YENER A.Two-hop secure communication using an untrusted relay： a case for cooperative jamming[C].New Orleans：IEEE Global Communication Conference，2008：1-5.

[6]HE X，YENER A.Two-hop secure communication using an untrusted relay[J].Wireless Communications and Networking Laboratory，2009（9）：1-10.