無人機協(xié)同傳輸通信系統(tǒng)物理層安全技術研究*

張倩倩

(南京審計大學金審學院 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210046)

0 引言

作為一種分布式的虛擬多天線傳輸技術，協(xié)同傳輸通信技術融合了分集與中繼傳輸?shù)募夹g優(yōu)勢，在不增加天線的基礎上，可在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中實現(xiàn)并獲得多天線與多跳傳輸?shù)男阅茉鲆妫瑥亩岣呦到y(tǒng)的傳輸性能，帶來了無線通信領域的巨大變革[1]。對任何通信系統(tǒng)而言，信息傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃浴⒂行酝戎匾贾苯記Q定著系統(tǒng)的可用性。而在協(xié)同傳輸通信系統(tǒng)中，采用中繼節(jié)點進行信息的協(xié)同傳輸雖然提高了信息傳輸?shù)目煽啃院陀行裕珔s使信息傳輸面臨著嚴重的安全威脅。因為無線信道的開放性可使信號傳播范圍內的所有接收機均有可能接收到發(fā)射信號，給無線通信帶來了嚴重的安全威脅，而且協(xié)同傳輸系統(tǒng)中中繼節(jié)點的介入會使得系統(tǒng)子信道數(shù)大為增加，這樣系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⒏菀妆凰烁`聽。

在傳統(tǒng)的陸地無線通信系統(tǒng)中，文獻[2-5]提出中繼協(xié)同技術能有效擴大無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍，并提高無線系統(tǒng)的物理層安全容量。文獻[6-8]利用中繼協(xié)同技術提高了無線通信系統(tǒng)的安全容量，相比于傳統(tǒng)的直傳鏈路和輪回調度方法，顯著增強了無線通信系統(tǒng)的安全性。文獻[9-10]聯(lián)合考慮了中繼與干擾技術，通過增加人工干擾進一步改善了無線傳輸?shù)谋Ｃ苄浴４送猓锢韺影踩夹g利用無線信道特性可以實現(xiàn)輕量級的安全加密，近年來也引起了廣泛的研究興趣。文獻[11]驗證了在傳感器網(wǎng)絡中可以利用物理層安全技術實現(xiàn)可靠通信。文獻[12]分析了引入?yún)f(xié)作干擾后傳感器網(wǎng)絡的安全性能，并且推導出安全容量的閉式表示。當網(wǎng)絡為雙向中繼網(wǎng)絡時，文獻[13]提出了一種最優(yōu)的能量分配方式以最大化網(wǎng)絡總的安全速率。針對射頻無線充能的多天線傳感器網(wǎng)絡，文獻[14]提出了一個兩階段的安全傳輸協(xié)議，通過對發(fā)送功率、信息波束成型等參數(shù)進行聯(lián)合優(yōu)化以提高網(wǎng)絡的安全能量效率。

然而，傳統(tǒng)思維陸地通信系統(tǒng)物理層安全中，通常采用固定式的或者準靜態(tài)的中繼節(jié)點，因此無線通信的物理層安全中中繼節(jié)點的位置對合法鏈路的鏈路質量具有較大的影響。此外，在一些特殊的場景中，例如戰(zhàn)場上，戰(zhàn)場態(tài)勢是不斷變化的，采用固定的中繼節(jié)點很顯然不能滿足特殊的需求。近年來，由于無人機具有多種優(yōu)勢，例如高速移動性、低成本、按需部署等，無人機在無線通信中得到廣泛使用。現(xiàn)有的無人機協(xié)作通信在提高物理層安全方面主要通過博弈建模[15-16]、功資源管理[17-18]、軌跡優(yōu)化[19-20]等方式。

本文主要研究了無人機作為中繼節(jié)點的協(xié)同傳輸通信系統(tǒng)。在源節(jié)點、目的節(jié)點與竊聽節(jié)點位置固定的前提下，充當中繼的無人機在源節(jié)點與目的節(jié)點之間來回飛行，可以減小信息接收與中繼轉發(fā)階段的信息傳輸距離，進而降低信息傳輸過程中的大尺度損耗。對于竊聽節(jié)點，無人機中繼的運動是隨機的，因此相比于主信道，竊聽信道容量不能獲得相應的改善，從而有效提高了無人機中繼系統(tǒng)的安全容量。此外，在信息傳輸中，通過在源節(jié)點加入人工干擾噪聲的方式減少額外噪聲節(jié)點給網(wǎng)絡帶來的開銷。文中通過與采用固定中繼節(jié)點的對比得出采用無人機中繼的方式能有效提高系統(tǒng)的安全容量。此外，在信源端發(fā)送功率一定的條件下存在最佳功率分配方案，可使系統(tǒng)安全容量達到最大值。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示。為簡便起見，這里假設兩信源之間沒有直接通路，只能通過中繼節(jié)點進行信息協(xié)同傳輸，并且假設竊聽節(jié)點為了防止被偵察到，竊聽節(jié)點位于源節(jié)點與目的節(jié)點中間的位置。此外，由于本文只對無人機中繼做初步的探討，文中暫時不考慮無人機飛行中信道的快衰落與多普勒效應。圖1中S為信源節(jié)點，D為目的節(jié)點，U為中繼節(jié)點，E為竊聽節(jié)點。用xS、xJ分別表示信源S發(fā)送的有用信號及干擾信號；源節(jié)點發(fā)送的信號總功率為E0(E0=ES+EJ，ES為有用信號功率，EJ為干擾信號功率)；源節(jié)點到無人機的信道系數(shù)為hSU，源節(jié)點到竊聽節(jié)點的信道系數(shù)為hSE，無人機節(jié)點到目的節(jié)點的信道系數(shù)為hUD。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖1所示的無人機協(xié)同傳輸系統(tǒng)模型中，信息傳輸分為兩個階段。第一個階段，源節(jié)點將信息及干擾信號發(fā)送給無人機節(jié)點，此時無人機節(jié)點、竊聽節(jié)點均能同時接收到源節(jié)點的信號，信號公式分別如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式中，nSU、nSD分別表示無人機節(jié)點與竊聽節(jié)點處的信道噪聲，均可被建模為均值為0、方差為σ2的高斯隨機變量。在這一階段，外在惡意竊聽節(jié)點竊聽到的信道容量如式(3)所示。

(3)

式中，W表示帶寬。

無人機接收到的信道容量如式(4)所示。

(4)

第二階段，無人機節(jié)點將接收的信號yu經(jīng)過一段時間的飛行，在距離目的節(jié)點一定的位置將信號放大轉發(fā)給目地節(jié)點,發(fā)送功率為EU，放大系數(shù)β如式(5)所示。

(5)

相應的D接收到的信號yD如式(6)所示。

(6)

外在惡意竊聽節(jié)點E接收到的信號yE2如式(7)所示。

(7)

需要注意，本文設計的模型中干擾信號是在源節(jié)點加入的，在中間傳輸過程中干擾信號一直存在，對于目的節(jié)點來說干擾信號是已知的，因此目的節(jié)點濾除干擾信號就可以得到應該要接收的信號，D接收到的信號以及U到D的信噪比分別為式(8)、式(9)所示。

(8)

(9)

根據(jù)山農(nóng)信道容量公式，雙向中繼信道中，信源與目的節(jié)點之間的信道容量CD如式(10)所示。

(10)

此外，第二階段竊聽節(jié)點竊聽到的信道容量如式(11)所示。

(11)

2 系統(tǒng)安全性能分析

本文使用安全容量這一性能對系統(tǒng)的安全性能進行分析。根據(jù)Wyner對安全容量的定義，本系統(tǒng)安全容量可以表示為：

CS=(CU+CD-CE1-CE2)+

(12)

其中，(x)+表示{x,0}中的最大值。

本文所述邪惡系統(tǒng)模型中，是通過在信源端加入人為干擾噪聲的方式來增強系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩缘摹Ｒ虼耍蓴_信號的設置將影響整個系統(tǒng)的安全性能的獲取，是系統(tǒng)實現(xiàn)安全通信的關鍵。為實現(xiàn)安全通信，應有：

maxCS=max(CU+CD-CE1-CE2)

(13)

式中，Emax為系統(tǒng)最大傳輸功率。

3 系統(tǒng)仿真與分析

3.1 場景A

若系統(tǒng)中，信源節(jié)點發(fā)送的信號的總功率一定，假設有用信號與噪聲信號功率相同，則在分析中將重點分析信道衰落對系統(tǒng)安全性能的影響。

假設噪聲方差σ2=1,傳輸帶寬W=1,有用信號功率與噪聲信號功率相同ES=EJ,分別采用無人機中繼與固定節(jié)點中繼方式。從圖2中可以看出在整個信噪比范圍內，采用無人機中繼比采用固定節(jié)點中繼方式具有更高的安全容量，系統(tǒng)安全性能更好。

圖2 不同中繼方式下安全容量對比圖

3.2 場景B

若系統(tǒng)中，信源節(jié)點發(fā)送的信號總功率一定，但有用信號功率與噪聲信號功率不相同，則此時存在最佳功率分配問題。

在許多實際系統(tǒng)中系統(tǒng)總的發(fā)送功率通常是有一定限制的。也就是說，在系統(tǒng)總發(fā)送功率受限條件下對上述問題進行討論將具有更大的實用價值。現(xiàn)假設系統(tǒng)總發(fā)送功率一定且為E0，干擾信號占系統(tǒng)總功率的比例為a，即EJ=aE0。從圖3中可以看出：(1)當系統(tǒng)總發(fā)送功率一定時，隨著干擾信號功率占比的增加，系統(tǒng)安全容量曲線呈現(xiàn)先逐漸升高再逐漸降低的趨勢；(2)當干擾信號功率占總功率比例在0.4時，即a=0.4時系統(tǒng)可獲得最大安全容量。

圖3 采用無人機中繼時最佳功率分配

4 結論

本文對無人機在協(xié)同傳輸通信中的應用進行了初步的討論，系統(tǒng)假設存在竊聽節(jié)點的前提下，采用信源節(jié)點發(fā)送有用信號與人工噪聲的方式進行通信，通過對比采用無人機中繼與固定節(jié)點中繼的結果得出，采用無人機中繼能夠得到較好的系統(tǒng)性能，無人機中繼可在很多特殊的場景下使用，因此具有較好的前景。在此基礎上，本文分析了采用無人機中繼時，系統(tǒng)功率分配的問題。在發(fā)送信號總功率一定的條件下，有用信號功率與噪聲功率所占比例對系統(tǒng)安全性能具有一定的影響。通過利用無人機本身的特性和在信源端發(fā)送人工干擾的方式可以提高系統(tǒng)的安全性能。