無線通信物理層安全傳輸技術(shù)研究

郭美麗，李靈燕,羅永倫

(1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院 電氣與電子工程系，山東 煙臺(tái) 264003；2.山東衡昊信息技術(shù)有限公司 研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264003；3.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)研究院，四川 成都 611731)

隨著信息全球化的發(fā)展，需要一種全球無縫覆蓋的信息網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星通信具有廣域覆蓋優(yōu)勢(shì)，而地面移動(dòng)通信可以在人口密集區(qū)提供大容量、多業(yè)務(wù)、高速率的優(yōu)質(zhì)通信服務(wù)。將衛(wèi)星與地面通信系統(tǒng)進(jìn)行一體化，發(fā)揮各系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建具有廣域覆蓋信息網(wǎng)的星地混合通信系統(tǒng)，將成為支撐起物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的涉及全球信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。然而正是由于星地衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣播特性和廣域覆蓋特性，無論是民用通信還是軍用通信均存在潛在竊聽的安全威脅。

目前針對(duì)衛(wèi)星通信的物理層安全研究很多。張應(yīng)憲等[1]對(duì)衛(wèi)星通信物理層安全技術(shù)應(yīng)用的可行性以及存在的潛在問題進(jìn)行分析論述，提出了衛(wèi)星通信物理層安全研究方向，對(duì)衛(wèi)星通信物理層安全技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望。當(dāng)前大多采用動(dòng)態(tài)波束成形技術(shù)[2]、多波束固定合法接收機(jī)的物理層安全技術(shù)[3]等實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信物理層安全。

本文針對(duì)衛(wèi)星-地面混合通信系統(tǒng)的聯(lián)合處理技術(shù)，通過對(duì)前向鏈路混合頻段的波束成形設(shè)計(jì)，在不增加衛(wèi)星載荷復(fù)雜度的基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)頻譜利用率和安全性能，開展星地混合通信系統(tǒng)前向鏈路的安全傳輸技術(shù)研究和保密性能分析研究，并提出將地面基站發(fā)送信號(hào)作為一種協(xié)同干擾的波束成形技術(shù)，協(xié)同干擾技術(shù)通過引入地面基站發(fā)送干擾信號(hào)來惡化衛(wèi)星竊聽節(jié)點(diǎn)的接收性能。采用隨機(jī)的信道模型，基于中斷概率準(zhǔn)則，通過凸優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計(jì)一種安全波束成形算法，對(duì)竊取進(jìn)行攔截與反干擾來增加通信的安全性，使無線通信物理層信息安全傳輸。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 中斷概率準(zhǔn)則

在通信中，如果得到的隨機(jī)變化的信息傳輸速率(即業(yè)務(wù)可靠速率)低于一定的水平，則會(huì)發(fā)生中斷。實(shí)際通信系統(tǒng)中，收發(fā)信號(hào)的互信息量小于預(yù)期頻譜效率時(shí)，則認(rèn)為該鏈路中斷。中斷概率[4]是評(píng)價(jià)通信質(zhì)量的重要指標(biāo)，是鏈路容量的另一種表達(dá)方式。當(dāng)鏈路容量不能滿足所需求的用戶速率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷事件，這個(gè)事件呈概率分布且取決于鏈路的平均信噪比及其信道衰落分布模型。

設(shè)信噪比SNR的函數(shù)表達(dá)式為f(x)，則中斷概率可以表示為

(1)

式中γ0表示在某節(jié)點(diǎn)接收信噪比的門限值。

以信道容量表示的中斷概率是瞬時(shí)信道容量低于預(yù)定義的傳輸速率R的概率，因此中斷概率Pout(R)可以表示為

Pout(R)=Pr(Cm(Rm)

(2)

式中Cm(Rm)表示在傳輸速度為Rm時(shí)的瞬時(shí)信道容量。

1.2 凸優(yōu)化技術(shù)

凸優(yōu)化[5]是數(shù)學(xué)最優(yōu)化的一個(gè)子領(lǐng)域，主要研究定義于凸集中的凸函數(shù)最小化問題。凸優(yōu)化在某種意義上較一般的數(shù)學(xué)最優(yōu)化問題簡(jiǎn)單，即在凸優(yōu)化局部最優(yōu)值必定是全局最優(yōu)值。

凸函數(shù)是一個(gè)定義在某個(gè)向量空間的凸子集C(區(qū)間)上的實(shí)值函數(shù)f，在其定義域C上的任意兩點(diǎn)x，y，以及t∈(0,1)，有

f(tx+(1-t)y)≤tf(x)+(1-t)f(y)，

(3)

也就是說，一個(gè)函數(shù)為凸函數(shù)，當(dāng)且僅當(dāng)其上鏡圖(在函數(shù)圖像上方的點(diǎn)集)為一個(gè)凸集。

如果對(duì)于任意t∈(0,1)有

f(tx+(1-t)y)

(4)

函數(shù)f是嚴(yán)格凸的。

若對(duì)于任意的x，y，z，其中x≤y≤z，都有

f(z)≤max{f(x)，f(y)}，

(5)

則稱函數(shù)f是幾乎凸的。

2 星地通信系統(tǒng)

星地混合通信系統(tǒng)的組成示意圖如圖1所示，地面無線移動(dòng)通信網(wǎng)又稱為輔助地面網(wǎng)絡(luò)(ATN)，其中的地面移動(dòng)終端稱為輔助地面組件(ATC)。空間網(wǎng)絡(luò)與ATN互聯(lián)互通、無縫一體，籍以實(shí)現(xiàn)無處不在的全方位通信能力。

圖1 星地混合通信系統(tǒng)Fig.1 Satellite-ground hybrid communication system

衛(wèi)星將面臨如下干擾：各種上行干擾源的干擾，既包括非法用戶和敵對(duì)勢(shì)力的惡意干擾，也包含己方的無意影響；未授權(quán)接入者對(duì)衛(wèi)星前向鏈路下行信號(hào)的非法竊聽與截取。

2.1 星地通信模型

針對(duì)星地混合通信系統(tǒng)前向鏈路中存在衛(wèi)星非法竊聽與截取鏈路的安全問題，由于衛(wèi)星竊聽節(jié)點(diǎn)比較隱藏，很難獲取竊聽節(jié)點(diǎn)的信道信息CSI，為此提出將地面基站發(fā)送信號(hào)作為一種協(xié)同干擾的波束成形技術(shù)，協(xié)同干擾技術(shù)通過引入地面基站發(fā)送干擾信號(hào)來惡化衛(wèi)星竊聽節(jié)點(diǎn)的接收性能。采用隨機(jī)的信道模型前提下，基于中斷概率準(zhǔn)則，結(jié)合凸優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計(jì)一種安全算法實(shí)現(xiàn)星地通信物理層安全傳輸。

假設(shè)地面衛(wèi)星傳輸信號(hào)為X，則通過前向鏈路上行到達(dá)GEO衛(wèi)星(地球靜止軌道衛(wèi)星)，再由GEO衛(wèi)星經(jīng)前向下行鏈路到達(dá)用戶終端，得到接收信號(hào)為Y，整個(gè)過程可表示為

Y=H2[H1X+N1]+N2，

(6)

式中：H1、H2分別表示前向上行、前向下行的星地混合通信系統(tǒng)信道響應(yīng)，衛(wèi)星移動(dòng)信道十分復(fù)雜，在本文中暫不考慮信道對(duì)其影響；N1、N2表示GEO衛(wèi)星處、用戶終端處的噪聲，一般為高斯白噪聲，N1、N2～CN(0,σ2),即噪聲服從均值為0，方差為σ2的正態(tài)分布。

定義衛(wèi)星源點(diǎn)為s，地面目的節(jié)點(diǎn)為d，對(duì)前向下行鏈路中傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)鏈路容量不能滿足所需求的用戶速率時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷時(shí)間，這個(gè)事件發(fā)生的概率由鏈路的平均信噪比及其信道衰落分布模型決定。在鏈路傳輸過程中的瞬時(shí)信噪比為

(7)

(8)

式中f為信道模型函數(shù)。

鏈路的瞬時(shí)容量為

(9)

因此當(dāng)要求速率為R時(shí)，中斷概率定義為

Pout=Pr[I

(10)

式中C(n)=22R-1，表示瞬間信道容量。

通過式(10)計(jì)算在某一時(shí)間段[t1,t2]信號(hào)信噪比函數(shù)所對(duì)應(yīng)的中斷概率集合可以表示為Pout，Pout=[P1,P2,…,PN]，N表示集合個(gè)數(shù)。隨后對(duì)中斷概率集合進(jìn)行凸優(yōu)化處理，將中斷概率集合Pout作為一個(gè)凸集，設(shè)其對(duì)應(yīng)的凸函數(shù)為ω，約束條件為φ1,φ2,…,φM，M為約束函數(shù)的個(gè)數(shù)，進(jìn)行凸優(yōu)化處理，即：

minω,

s.t.φ1≤0,φ2≤0,…,φM≤0，

(11)

根據(jù)約束條件可分離變量得到最優(yōu)結(jié)果x1,x2,…,xm，m為最優(yōu)結(jié)果個(gè)數(shù)，即最有可能出現(xiàn)竊聽點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位置，得到最優(yōu)可能出現(xiàn)的竊聽節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行干擾與攔截，完成星地通信物理層信息的安全傳輸。

2.2 波束成形算法

2.2.1 算法實(shí)現(xiàn)流程

在信號(hào)傳輸過程中，前向上行與前向下行鏈路均有可能出現(xiàn)干擾信號(hào)惡化衛(wèi)星竊聽節(jié)點(diǎn)的接收性能，本文利用中斷概率準(zhǔn)則和凸優(yōu)化技術(shù)，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行攔截或干擾。圖2所示為追蹤算法實(shí)現(xiàn)具體流程圖。

圖2 算法實(shí)現(xiàn)具體流程圖Fig.2 Specific flow chart of algorithm implementation

2.2.2 算法實(shí)現(xiàn)基本步驟

1)對(duì)前向鏈路傳輸過程實(shí)時(shí)監(jiān)控得到在時(shí)間段[t1,t2]內(nèi)的中斷概率集合Pout；

2)對(duì)中斷概率集合Pout進(jìn)行凸優(yōu)化算法處理，得到最優(yōu)可能的竊聽或干擾節(jié)點(diǎn)；

3)在竊聽或干擾節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行反干擾操作，實(shí)現(xiàn)通信物理層安全傳輸。

3 仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)果如圖3所示，本文從接收天線Nr=1，2，3進(jìn)行仿真研究。從圖3可以看出，在相同信噪比情況下，隨著接收天線的增加，對(duì)于竊聽節(jié)點(diǎn)的位置能較快地定位；當(dāng)信噪比增大到一定程度時(shí)追蹤的時(shí)間保持不變，并且隨著信噪比的增加，定位竊聽節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間越來越短。當(dāng)信噪比越大即信號(hào)質(zhì)量越好時(shí)，受干擾影響越小，追蹤到竊聽節(jié)點(diǎn)位置越快。現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有在傳輸信號(hào)時(shí)利用信號(hào)性質(zhì)來對(duì)竊聽或干擾信號(hào)進(jìn)行反干擾處理，本算法具有一定的研究?jī)r(jià)值。

圖3 竊聽節(jié)點(diǎn)定位時(shí)間仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of eavesdropping node location time

4 結(jié)束語

本文基于中斷概率準(zhǔn)則，結(jié)合凸優(yōu)化技術(shù)，在采用隨機(jī)信道模型下，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)星地通信物理層信息安全傳輸算法，有效地干擾了對(duì)星地通信系統(tǒng)中前向鏈路的信號(hào)竊聽，同時(shí)確保了衛(wèi)星合法節(jié)點(diǎn)的正常通信。