全雙工竊聽下的無人機通信保密性能分析

刁丹玉, 王布宏,*, 曹堃銳, 東潤澤, 程天昊

(1. 空軍工程大學信息與導航學院, 陜西 西安 710077; 2. 國防科技大學信息通信學院, 陜西 西安 710106)

0 引 言

由于無人機具有低成本、高機動性、高信道質量等優點,近年來無人機無線通信得到了人們的廣泛關注。無人機可作為臨時空中基站,在災后快速搭建通信平臺;也可以作為輔助中繼,利用其靈活性和信道特性獲得更好的通信質量。然而,與傳統的地面無線通信相比,由于空對地通信鏈路具有強視距鏈路屬性,更容易被截獲,所以安全性是無人機通信面臨的關鍵挑戰之一。近年來,物理層安全技術在無線通信安全領域發揮著越來越重要的作用。物理層安全技術是指利用無線信道的固有特性(例如,衰落、噪聲和干擾)來保證竊聽者在物理層上不能竊取合法信息,與上層加密技術相比,物理層安全技術不需要大量復雜的計算以及密鑰的分發與管理,能夠有效節省資源,是對上層加密技術的補充甚至替代。Wyner于1975年提出了竊聽信道模型,該模型表明,當主信道的性能優于竊聽者的竊聽信道時,可以實現完全保密。隨著無人機的廣泛應用,無人機通信的物理層安全問題已經吸引了大量的關注與研究。文獻[10]針對無人機作為空中基站的場景,在存在地面竊聽者的情況下,通過同時優化軌跡和發射功率來提高無人機的安全性能。文獻[11]研究了無人機毫米波網絡的保密性能,提出了一種發射干擾策略,利用無人機發射人工噪聲來對抗竊聽攻擊。文獻[12]針對無人機中繼系統,提出了采用信源端發送人工干擾信號的傳輸方案來提高系統的安全容量。

另一方面,由于無人機的尺寸和重量較小,更換電池不方便,儲能有限,所以無人機的續航時間成為制約無人機通信發展的關鍵問題。能量采集技術因能在環境中采集射頻信號能量而得到廣泛關注,為實現無人機的可持續通信提供了一種新的解決思路。文獻[16]提出了一種基于能量采集技術的無人機輔助中繼方案,在不同城市環境下降低連接中斷概率。文獻[17]提出一種無人機中繼安全傳輸方案,應用能量采集技術,在存在竊聽者的情況下,提高系統的安全性和可靠性。無線供電通信是能量采集技術的一個重要方面。在無線供電系統中,源發射能量給終端,終端利用采集到的能量將有用信息上行傳輸給基站。文獻[18]研究了一種新型的無人機無線供電系統,該系統通過安裝在無人機上的移動能量發射器向地面終端發送無線能量,通過軌跡規劃來實現能量傳輸效率的最大化。文獻[19]通過無人機的軌跡設計來實現無線供電系統通信吞吐量、延遲和能量消耗的權衡。上述研究往往致力于研究無人機作源,為地面終端供電的無線供電系統,而忽略了無人機本身的能量受限性,對無人機作終端的無線供電系統的研究相對較少。在無人機作終端的無線供電通信系統中,基站先下行傳輸射頻能量至能量受限的無人機,然后無人機利用采集的能量將信息上行傳輸至基站,應用此方案來解決無人機能量有限的問題,實現無人機可持續通信具有重要意義。

近年來,全雙工技術已經成為下一代通信系統中提高頻譜利用率的一種十分有前景的解決方案。全雙工技術理論上可以使常用的半雙工通信系統的頻譜效率提高一倍,但會帶來回環自干擾。通過開發先進的天線技術、電子技術和高效的通信技術,降低回環自干擾方面已經取得了重大進展,因此全雙工技術已經成為一種十分有前景的技術。文獻[20]研究了全雙工收發器的結構和串行干擾需求。文獻[21]對存在主動竊聽者的信道鏈路進行研究,提出一種博弈模型,使竊聽者根據自干擾和位置,在全雙工和半雙工之間選擇最佳模式。應用全雙工技術的無人機輔助通信近年來也引起了越來越多的研究興趣,文獻[22]提出了一種基于全雙工無人機的中繼協同通信系統方案,利用無線供電技術以及全雙工回環自干擾能量采集技術為無人機供能。文獻[23]提出了一種利用全雙工合法監聽器來監聽無人機輔助中繼的方案。文獻[24]研究了利用全雙工合法監聽器來監聽無人機輔助的認知無線電網絡,在合法監聽器的發射功率約束和主接收機的干擾約束下,最大化可實現的竊聽率。文獻[25]針對存在全雙工主動竊聽者的無人機通信系統,采用信源發射人工噪聲的方法來惡化竊聽信道質量。上述研究往往致力于研究利用全雙工技術對無人機進行合法監聽,對于無人機網絡中存在全雙工主動竊聽者的情況,物理層安全性能研究還不充分。對此,本文研究了全雙工主動竊聽下的無人機無線供電系統的物理層安全,采用傳輸中斷約束下的最優編碼策略,將無人機的傳輸中斷概率限制在一個閾值內,進而保證無人機通信的可靠性,同時提高無人機通信的安全性,并分析了該模型中的關鍵參數對無人機通信物理層安全性能的影響。

1 系統模型

1.1 系統場景

該系統場景如圖1所示,包括一架能量受限的無人機、一臺基站和一個全雙工主動竊聽者,分別用、和來表示。在一個通信時間幀內,無人機無線供電系統的通信過程分為兩個時間段:能量采集時間段和信息傳輸時間段。在能量采集時間段,無人機采取射頻能量采集的方法從基站處獲取能量,在信息傳輸時間段,無人機利用采集到的能量將信息上行傳輸給基站。假設無人機的機載電池為無人機的飛行控制提供電量,而采集到的能量只用于無人機的無線通信,全雙工主動竊聽者在竊取無人機發射的信息的同時向基站發射干擾信號。

圖1 存在主動竊聽者的無人機無線供電系統模型圖Fig.1 Model diagram of unmanned aerial vehicle wireless powered system with proactive eavesdroppers

采取三維笛卡爾坐標系來描述3個節點的坐標,基站、無人機、全雙工主動竊聽者的坐標分別為?=(0,0,0),?=(,,),?=(,,0)。節點和之間的小尺度衰落系數以及距離分別為 和 ,,∈{,,}。假設各信道之間相互獨立;基站與主動竊聽者之間的信道小尺度衰落系數服從均值為的瑞利分布;基站已知 的瞬時信道狀態信息和、的統計信道狀態信息。隨著干擾消除技術的發展,可以在空間域、數字電路域和模擬電路域中抑制回環自干擾,因此假設剩余回環自干擾服從均值為0,方差為的高斯分布,其中表示全雙工主動竊聽者發射的干擾信號的功率。參數反映了全雙工竊聽者的回環自干擾消除能力,→0時,全雙工竊聽者有完美的回環自干擾消除能力。

1.2 地空信道模型

(1)

2,=1-1,

(2)

在LoS信道傳播條件下,信道經歷萊斯衰落,而在NLoS信道傳播條件下,信道經歷瑞利衰落。同時,無人機和地面節點之間LoS信道的小尺度衰落可表示為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:表示路徑損耗系數;、分別表示LoS和NLoS信道的衰減因子,>且與環境相關。

1.3 無人機無線供電系統通信模型

在能量采集階段,時間內(代表能量采集時間因子),基站向能量受限的無人機發送射頻信號,無人機從基站處采集到的能量可表示為

(7)

式中:表示能量轉換效率;表示基站發射的信號功率。

在信息傳遞階段,(1-)時間內,無人機利用采集到的能量將信息上行傳輸給基站,無人機發射信號的功率可以表示為

(8)

(9)

式中:表示基站端接收到的信號噪聲,～CN(0,)。則基站處的信噪比可表示為

(10)

(11)

式中:表示基站端接收到的信號噪聲,～CN(0,)。

則全雙工主動竊聽者的信噪比可表示為

(12)

2 傳輸中斷約束方案設計及其性能分析

由于基站不知道之間的瞬時信道狀態信息,所以不能采取變速率的編碼傳輸方案,只能采取固定速率的編碼傳輸方案。為保證無人機通信的可靠性和安全性,提出了一種傳輸中斷約束方案,引入一個傳輸中斷約束閾值來實現可靠傳輸,連接中斷概率被定義為瞬時信噪比小于目標信噪比的概率。則基站的連接中斷概率為

(13)

(14)

在傳輸中斷概率約束下,無人機與基站之間的信道容量=。無人機與全雙工主動竊聽者之間的信道容量可表示為

(15)

無人機的保密容量為={-},其中{}=max(,0)。當保密容量等于或小于預先設定的目標保密速率時,視為保密中斷,則保密中斷概率可表示為

1,1, SOP+1,2, SOP+2,1, SOP+2,2, SOP

(16)

(17)

(18)

(19)

同理可得

(20)

(21)

(22)

結合上述,SOP、SOP、SOP、SOP的推導結果,可得出所提方案下無人機無線供電系統保密中斷概率的閉合表達式。

3 數值結果與討論

表1 仿真參數

圖2展示了基站發射功率與能量采集時間因子對無人機保密通信的影響。圖中模擬值與理論曲線重合,驗證了理論公式推導的正確性。可以看出,隨著基站發射功率的增大,無人機的保密性能收斂于一個門限,同時隨著能量采集時間因子的增加,該門限值不斷提高。這一現象可以解釋為,在無人機無線供電系統通信鏈路中,增加基站發射功率,無人機的發射功率增大,基站的接收信號功率和竊聽者的竊聽信號的功率都隨之增大,所以保密中斷概率收斂于一個門限。隨著能量采集因子的增加,信號帶寬減小,所以該門限值提高。

圖2 不同能量采集時間因子α下SOP與Ps的關系Fig.2 Relationship between SOP and Ps under different energy harvesting factor α

圖3比較了傳輸中斷約束方案與兩種基準方案下的無人機的保密中斷概率。基準方案I中,在存在主動竊聽者的情況下,基站編碼速率小于最優編碼速率。基準方案II中,竊聽者只進行被動竊聽,而不發射干擾信號。

圖3 不同方案下SOP與Ps的關系Fig.3 Relationship between SOP and Ps under different schemes

從圖3可以看出,隨著基站發射信號的功率增加,傳輸中斷約束方案相比基準方案I能獲得更低的保密中斷概率,這是因為如果基站編碼速率小于最優編碼速率,無人機的保密容量減小,無人機的保密中斷概率隨之增大,表明了所提方案的優越性。與基準方案II相比,可以看出主動竊聽下的無人機無線供電通信系統保密性更差。

圖4展示了不同的高度下,無人機的保密中斷概率與無人機的軸坐標的關系。從圖4中可以看出,隨著無人機到主動竊聽者的距離減小,無人機的保密中斷概率增高,這是符合預期的,因為隨著無人機與主動竊聽者的距離減小,無人機到基站的信道容量減小,無人機到竊聽者的信道容量增大,所以無人機的保密容量減小,無人機的保密性降低。隨著無人機高度降低,無人機的保密中斷概率的變化率增大,同時可以發現當無人機處于基站和主動竊聽者中間時,不同高度的無人機具有相同的保密中斷概率,此時無人機的保密性與其高度無關。

圖4 不同高度下SOP與yu的關系(ε=0.1)Fig.4 Relationship between SOP and yu under different heights(ε=0.1)

圖5展示了無人機位于不同的環境條件下,保密中斷概率與基站發射信號的功率的關系。考慮了4種不同的地空環境,參數詳情如表2所示。

圖5 不同環境下SOP與Ps的關系Fig.5 Relationship between SOP and Ps under different environments

表2 環境參數

可以看出,隨著基站發射信號的功率增加,保密中斷概率下降,并且當環境為高層建筑的城市時,無人機的保密性能最好。因為從郊區環境到高層建筑的城市環境,LoS信道概率降低,全雙工主動竊聽者在高層建筑的城市經歷更大的路徑損耗,在這種情況下,無人機在高層建筑的城市環境相比于其他環境能獲得更好的保密性能。

圖6展示了不同的干擾信號功率下,保密中斷概率與主動竊聽者的回環自干擾系數的關系。

圖6 不同干擾信號功率Pj下SOP與λ的關系Fig.6 Relationship between SOP and λ under different jamming signal power Pj

從圖6中可以看出,隨著干擾信號功率增加,無人機的保密性能降低,這是因為干擾信號能顯著降低無人機的合法信道容量,從而降低無人機的保密容量;從主動竊聽者的角度出發,其回環自干擾系數對其竊聽能力有顯著影響。

4 結 論

針對無人機能量受限且通信易受竊聽攻擊的特點,提出一種基于能量采集的無人機無線供電通信模型,分析了其在全雙工主動竊聽下的物理層安全性能,建立基于仰角的地空信道模型,采用傳輸中斷約束下的最佳編碼策略,推導出無人機保密中斷概率的閉合表達式。仿真結果證明了該方法能在保證無人機通信可靠性的前提下,提高通信的安全性,并分析了基站發射功率、能量采集時間因子、環境等因素對無人機通信的安全性的影響,本文的理論分析可以為解決無人機能量受限的問題,以及實際的無人機通信系統的設計提供有力指導。