非理想環(huán)境下基于物理層安全的無線網(wǎng)絡(luò)性能探究

姚進(jìn)

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷普及正在逐漸改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞剑瑫r(shí)也給無線網(wǎng)絡(luò)安全提出了更高的要求和更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。文章構(gòu)建了在非理想環(huán)境下基于物理層安全的系統(tǒng)模型，并基于該系統(tǒng)模型初步研究了系統(tǒng)保密容量和系統(tǒng)保密中斷概率。

關(guān)鍵詞：非理想環(huán)境;物理層;性能

中圖分類號(hào)：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0184-02

0 引言

隨著WIFI、Zigbee、NB-IoT、藍(lán)牙、4G、5G等各種無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷普及，無線網(wǎng)絡(luò)正在不斷地改變和改善人們的生活及工作方式，與此同時(shí)，也對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)安全提出了更高的要求和更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。

在無線網(wǎng)絡(luò)安全越來越受到重視的今天，通過為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的每一層加入安全機(jī)制已經(jīng)成為必要的選擇，而物理層的安全機(jī)制研究一直被忽略。物理層安全機(jī)制研究有很多優(yōu)點(diǎn)，從信息論的角度出發(fā)，利用實(shí)際傳播環(huán)境的信道特征，在物理層解決無線網(wǎng)絡(luò)安全傳輸問題。通過在物理層對(duì)信息進(jìn)行處理，可以從根本上確保信息的安全性[2]。

在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)通信中，由于實(shí)際信道環(huán)境的復(fù)雜性，幾乎不可能獲取理想的信道狀態(tài)，因此在對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能研究時(shí)，往往是基于非理想環(huán)境進(jìn)行分析的，非理想環(huán)境下的物理層安全機(jī)制研究大多都是根據(jù)信道狀態(tài)信息CSI（Channel State Information）進(jìn)行分析的[3-4]。

本文章主要對(duì)非理想環(huán)境下基于物理層安全的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了初步性能分析，本文章的主要貢獻(xiàn)如下：

（1）文章構(gòu)建了在非理想環(huán)境下基于物理層安全的系統(tǒng)模型。

（2）文章初步研究了系統(tǒng)保密容量和系統(tǒng)保密中斷概率。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示為無線能量傳輸模型圖，如圖2所示為信息傳輸模型圖。包括信源S，新宿D(zhuǎn)，一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)R，一個(gè)竊聽者E，其中，竊聽者E嘗試對(duì)信源發(fā)送和中繼節(jié)點(diǎn)R轉(zhuǎn)發(fā)的信息進(jìn)行竊聽。所有的鏈路經(jīng)歷了獨(dú)立相同的瑞利衰落。假定每個(gè)終端有一根天線，采用半雙工模式。

如圖3所示，無線能量及信息傳輸主要分為以下3個(gè)階段：

（1）信宿D(zhuǎn)通過無線信號(hào)給信源S和中繼R傳遞能量。

（2）信源S傳遞信息到中繼節(jié)點(diǎn)R和信宿D(zhuǎn)。

（3）中繼節(jié)點(diǎn)R傳輸信息到信宿D(zhuǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)R采用信源-中繼鏈路接收信號(hào)的瞬時(shí)信噪比SNR，該信噪比是衡量中繼傳輸可靠性的一個(gè)指標(biāo)，當(dāng)信噪比SNR大于預(yù)先設(shè)定的門限值，在中繼節(jié)點(diǎn)R處發(fā)生錯(cuò)誤的概率小。因此，中繼節(jié)點(diǎn)R將在解碼后轉(zhuǎn)發(fā)信息，否則，中繼節(jié)點(diǎn)R保持靜默。

如果R轉(zhuǎn)發(fā)信息，在D，E兩處都會(huì)出現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的兩個(gè)復(fù)制信息。可以采用選擇性合并去處理兩個(gè)接收的復(fù)制信號(hào)。

2 性能分析

3 結(jié)語

隨著各種無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)安全提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。物理層安全問題的研究是無線網(wǎng)絡(luò)安全性能研究的必然趨勢(shì)，是進(jìn)一步提高無線網(wǎng)絡(luò)安全性的有效途徑。本文構(gòu)建了非理想環(huán)境下基于物理層安全的系統(tǒng)模型，并基于該系統(tǒng)模型對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了初步分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁青鋒，劉夢(mèng)霞，連義翀.基于非理想CSI的全雙工雙向中繼系統(tǒng)保密中斷概率性能研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2019（9）：1-4.

[2] 丁威.基于協(xié)作干擾的物理層安全技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2016.

[3] 王磊，管新榮，林志，等.無線網(wǎng)絡(luò)物理層安全技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].軍事通信技術(shù)，2015，36（3）：54-60.

[4] 唐杰，潘緋，廖潤(rùn)發(fā)，等.多天線通信系統(tǒng)物理層安全可靠傳輸技術(shù)研究進(jìn)展[J].信息安全與技術(shù)，2014，5（5）：27-30.