基于能量采集的友好干擾機輔助下多中繼系統安全傳輸方案

張廣大, 任清華, 樊志凱

(1. 空軍工程大學信息與導航學院, 陜西 西安 710077;2. 中國電子科技集團公司航天信息應用技術重點實驗室, 河北 石家莊 050081)

0 引 言

物聯網技術作為新一代信息技術的重要組成,已被廣泛應用于人們的生產生活中。通過互聯海量的設備,在第5代無線通信技術的支撐下,物聯網為用戶提供了各種便捷、高效的服務,滿足了用戶對美好生活的多樣化、多層次需求。然而,由于無線通信網絡自身的廣播特性和網絡節點分布的隨機性,因此,在無線通信網絡中,信息既可被授權用戶訪問,也可以被非法用戶訪問,故更容易遭受到竊聽者的攻擊,造成信息的泄露[1-2]。為了強化無線通信網絡的安全性和對抗竊聽攻擊能力,實現對隱私的保護,物理層安全技術應運而生。作為一種無密鑰的安全技術,其為解決無線網絡中的信息安全問題提供了新的思路和方法。它通過利用無線信道中各種傳輸特性,如:噪聲信號、載波頻率偏移和信道狀態信息(channel state information, CSI)等,通過最大化合法信道與竊聽信道之間的速率差異,提升通信網絡的保密性能。同時,在當前迅速增長的計算能力對加密技術形成嚴重挑戰的背景下,物理層安全研究領域近年來備受關注[3]。

協同通信作為物理層安全技術的重要組成部分,既可以通過協作中繼方案以提高合法信道容量,也可以利用協作干擾方案降低竊聽信道容量,來增強系統的保密性[4-5]。中繼選擇(relay selection, RS)作為協作中繼方案的重要策略之一,恰當地選擇中繼節點,能夠在完成信息傳輸的同時,進一步強化系統的保密性能[6-8]。文獻[6]將RS轉換為預測和決策問題,并針對不同場景提出了兩種基于Q學習的RS算法。結果表明,所提算法可以實現最佳保密性能并節省收斂時間。文獻[7]研究了多竊聽者下非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)網絡的物理層安全性能,提出了一種新型的、基于兩階段的RS安全方案,以最大化不同接收用戶處的保密容量。文獻[8]分析了Nakagami-m衰落下兩跳中繼網絡的保密性能。首先,基于最大化保密容量準則選擇最佳中繼;其次,推導出保密中斷概率的閉合表達式;最后,討論了關鍵參數對系統保密性能的影響。協作干擾作為另一種有效的物理層安全技術,利用友好干擾機將人工噪聲引入竊聽信道,以達到削弱竊聽信道質量的目的。協作干擾主要包含兩種形式,一種是利用內部友好節點發送干擾信號。如源節點[9]、目的節點[10]、中繼節點[11]等。另一種是借助外部的友好干擾機對竊聽節點的攻擊進行干擾[12-14]。文獻[12]研究了由一個源節點、一個目的節點、一個竊聽節點和一個多天線協作干擾機構成的保密通信,在非完美CSI下推導出了多種保密性能指標的閉合表達式。文獻[13]研究了由一個基站、多個用戶和一個竊聽者組成的NOMA系統中的上行鏈路的保密性能。根據不同可用程度的CSI,提出了兩種可供友好干擾機選擇的物理層安全傳輸方案。文獻[14]分析了存在兩種攻擊模式的竊聽者的通信系統的保密性能,在考慮完美和非完美CSI情況下,提出了一種利用多天線友好干擾機的新型迫零波束成形安全傳輸方案。

由于無線通信信道具有天然開放性的特點,因此,傳輸環境中各種噪聲和干擾對通信系統均可能造成不同程度的影響。而由頻分復用技術產生的大量同信道干擾(co-channel interference, CCI)作為干擾信號的一種重要組成,對網絡中合法信號的正常傳輸和接收已造成十分嚴重的干擾,進而引起通信系統性能的下降[15]。隨著無線通信系統面臨的通信場景日益復雜,CCI問題已經成為無線通信網絡急待解決的關鍵問題和研究重點之一[16]。當前,已有學者將CCI引入物理層安全中展開分析和討論[17-20]。文獻[17]研究了在CCI下、在基站上采用發射天線選擇方案,并同時在合法用戶上采用基于閾值的機會調度方案下的多用戶系統的保密性能。文獻[18]考慮了由單竊聽節點和多用戶節點組成的通信模型在CCI影響下系統的安全性和可靠性,并提出聯合用戶和干擾機選擇的安全傳輸方案,在最佳功率分配后,可以有效降低中斷概率和截獲概率之和。文獻[19]分析了多用戶場景下,蜂窩下行鏈路系統存在CCI時的保密性能,并依據CSI的可用程度,給出了兩種多用戶調度方案。結果表明,所提方案能夠有效降低CCI的影響。文獻[20]研究了在Nakagami-m衰落和同信道干擾下,多天線竊聽者對單輸入多輸出(single input multiple output, SIMO)系統保密性能的影響,推導出精確保密中斷概率的閉合表達式。特別地,針對多中繼場景,文獻[21]研究了CCI下基于放大轉發(amplify-and-forward, AF)模式的多中繼網絡保密性能的影響。雖然上述文獻考慮了CCI對不同通信系統保密性能的影響,但它們大都局限于通過多天線技術或者資源分配方案提升系統的保密性能,而針對多中繼系統的研究較少。當前文獻著眼于通過合理的資源調度實現增強系統保密性能的目標,而如何解決能量資源的約束問題,也是如今研究人員重點研究的課題之一。

本文的主要貢獻是為解決存在多個CCI和噪聲的情況下的多中繼系統合法信號的保密傳輸問題,提出了一種利用RS和友好干擾機協作干擾的混合協作安全傳輸方案。基于自由空間損耗以及小尺度衰落相結合的傳播模型,在考慮中繼節點、合法用戶、竊聽者均受到CCI下,首先,對于部分CSI已知的不同條件下,得到隨機RS(random RS, RRS)和最佳RS(optimal RS, ORS)兩種RS策略。同時,利用具有能量采集能力的友好干擾機,從其接收信號中提取能量,用于在信息傳輸的第二時隙進行協作干擾。其次,推導出系統的保密中斷概率閉合表達式。最后,數值仿真驗證了理論推導的正確性，并給出了典型參數對系統保密性能的影響。

1 系統和信道模型

1.1 系統模型

本文基于文獻[21]中的模型展開推廣,研究CCI下基于多中繼通信系統的保密傳輸方案。如圖1所示,系統由一個信號發射機S、M個中繼節點R1,R2,…,RM、一個具有能量采集功能的友好干擾機J、一個合法接收用戶(legitimate user, LU)和一個潛在的信號竊聽者(eavesdropper, EAV)構成。其中,中繼節點均只配置單天線。另外,中繼節點的協作方式為解碼轉發(decade-and-forward, DF),所有節點均工作在半雙工模式。與此同時,系統中的節點均能夠收到來自同信道信號源以相應功率PN發射的N個干擾信號I1,I2,…,IN。假設系統受到嚴重衰落和障礙物的影響,可以認為發射機和合法用戶間無法建立直連鏈路S→U來完成通信,必須通過中繼節點輔助傳輸保密信號。與文獻[22]中的假設類似,考慮到網絡中CSI的反饋通道的傳輸能力有限和存在反饋延遲等原因,假設發射機S僅能夠獲取第一跳的CSI。

圖1 多中繼系統傳輸模型Fig.1 Multi-relay system transmission model

1.2 信號模型

從發射機發射信號到合法用戶接收的整個通信過程分為兩個時隙。

(1) 在第一時隙中,發射機S向中繼節點發射保密信號xS。在CCI下,此時,任意中繼節點Ri能夠接收到的信號表示為

(1)

式中:LSRi表示發射機S和第i個中繼節點Ri之間的距離;hSRi表示發射機S和第i個中繼節點Ri之間的平均信道增益;LInRi表示第n個同信道干擾和第i個中繼節點Ri之間的距離;hInRi表示第n個同信道干擾和第i個中繼節點Ri之間的平均信道增益。

同時,友好干擾機和竊聽者能夠接收到的信號為

(2)

(3)

式中:i∈{1,2,…,M};xIn表示干擾源發送的干擾信號;PS表示發射機的信號發射功率。

根據式(1),可知中繼節點Ri接收信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR)為

(4)

由式(3)可知,竊聽者處的接收SINR為

(5)

在該時隙中,基于射頻信號能量采集,友好干擾機能夠采集到的能量為

(6)

(7)

(2) 在第二時隙中,在選擇出最佳中繼節點后,由中繼節點對保密信號進行重新編碼,將保密信號傳輸至合法接收用戶。于是,合法接收用戶U和竊聽節點E處接收信號yRiU和yRiE可分別表示為

(8)

(9)

設人工噪聲信號被合法用戶先驗已知[24],經過干擾自消除后能夠被完全消除,故合法用戶將不受其影響。因此,在合法用戶和竊聽者處的接收信號對應的SINR可表示為

(10)

(11)

2 RS策略

本文考慮在多中繼場景中存在潛在的信息安全問題,制定恰當的RS策略，以增強系統的保密性能?；诎l射機與合法用戶間不存在直連鏈路這一般假設,發射機獲取全局CSI將十分困難,故本文依據系統的部分CSI。只考慮第一跳中CSI的可用程度,提出兩種RS方案,分別是基于無CSI和基于部分CSI的隨機RS策略和最佳RS策略。

2.1 隨機RS策略

在發射機缺乏任何CSI的情況下,通常采用隨機RS方案[25],在給出的符合條件的中繼集合中隨機選擇中繼節點Ri,將保密信號轉發至合法用戶處。具體選擇準則為

(12)

式中:rand(·)表示隨機函數。

2.2 最佳RS策略

在發射機能夠掌握第一跳中的全部CSI的情況下,即當發射機已知鏈路S→R和鏈路S→E的CSI時,此時將能夠實現該階段最大保密容量的中繼節點視為最佳中繼節點。特別地,本文考慮到最佳節點的可用性,設定具體選擇準則為

(13)

3 保密性能分析

保密中斷概率作為物理層安全中衡量系統性能的重要指標,是指瞬時保密容量CS小于某一預設目標保密傳輸速率RS的概率。本節給出基于兩種RS方案的保密中斷概率表達式,用作系統保密性能指標。具體定義為

Pout(RS)=Pr(CS≤RS)

(14)

式中:CS表示系統的保密容量;RS為預先給定的目標保密速率。

由于在兩跳協作中繼網絡中,系統合法信號傳輸從源節點到中繼節點，再到目的節點,若任意一跳產生中斷,通信過程將失敗。結合系統模型可知,竊聽者E能夠竊聽在SRi和RiU傳輸期間的信息。因此,基于DF模式的兩跳中繼系統保密容量可表示為

CS=min(CS1,CS2)

(15)

式中:CS1和CS2分別表示信道S→R和R→U中能夠達到的保密容量。具體為

(16)

(17)

式中:[x]+=max{x,0},CSRi和CRiU表示不同時隙下合法信道的信道容量;CSE和CRiE表示不同時隙下竊聽信道的信道容量。

將式(15)代入式(14),有:

(18)

由式(18)可知,系統保密中斷概率由P1和P2構成,下面計算不同傳輸階段下的保密中斷概率。

3.1 發射機至中繼節點信道分析

3.1.1 隨機RS策略

根據式(16),結合隨機RS準則可知P1的表達式為

P1=Pr(CS1

Pr(γSRi<δ(1+γSE)-1)=

(19)

式中:FγS Ri(·)和fγS E(·)分別表示累積分布函數(cumulative distribution function, CDF)和概率密度函數(probability density function, PDF),且δ=22RS,證明見命題1。

命題 1由于同信道干擾信號所有信道服從獨立同分布,因此FγS Ri(x)和fγS E(y)可由下式表示:

exp(-(λB1+λA1x)w)dw=

(20)

(21)

(22)

SINRγS Ri的CDF和SINRγSE的PDF可計算如下:

FγS Ri(x)=Pr(γSRi

(23)

(24)

聯合式(23)和式(24),并結合指數分布的CDF和PDF,有FA1(x+xw)=1-exp(-λA1(x+xw))。經過有限步驟計算后,CDFFγS Ri(x)可表示為

(25)

(26)

根據式(19),將式(25)和式(26)代入后,P1的表達式為

(27)

式中:

(28)

(29)

(30)

詳細計算過程見命題2。

證畢

命題 2為了簡單表示,將單積分形式表示為參數表達式,下面對式(29)、式(30)進行求解。

證明(1) 當β1≠β2時,此時,被積函數I1.1和I2.1可被重寫為

(31)

(32)

式中:

(35)

根據積分文獻[26],式(29)、式(30)積分求解后的解析表達式見式(46)和式(47)。

(2) 當β1=β2=β,此時,可將式(29)、式(30)重寫為

(36)

(37)

利用公式積分求解后得到

I1(β1,β2,β3)=I1(β,β,β3)=Nexp(ββ3)×

(38)

I2(β1,β2,β3)=I2(β,β,β3)=λA2exp(ββ3)×

(39)

(3) 特別地,當β3=0時,有

a.當β1≠β2,代入求解積分后有:

(40)

b.當β1=β2=β,代入求解積分后有:

(41)

證畢

3.1.2 最佳RS策略

由最佳RS準則,可得對應的保密中斷概率為

(42)

由式(13)可知,最佳RS策略中合法信道的CDF可表示為

(43)

由命題1中式(23)～式(26),中繼節點處接收信號的SINR對應的CDF為

(44)

由式(42)和式(44)代入后解得最佳中繼節點對應的保密中斷概率為

[I1(α2,α5,mλA1δ+λA2)+I2(α2,α5,mλA1δ+λA2)]

(45)

(46)

(47)

3.2 中繼節點至合法用戶信道分析

由于兩跳協作中繼網絡中,第一跳信道與第二跳信道具有獨立性,因此,將式(17)代入式(18)后,可得P2表達式為

Pr(γRiU<22RS(1+γRiE)-1)=

Pr(X<δ(1+Y)-1)=

(48)

式(48)中,令X=γRiU,Y=γRiE。根據式(10)和式(11),結合命題1中部分證明過程,則X和Y對應的CDF可表示為

(49)

命題 3第二時隙中,竊聽節點接收信號的SINR對應的CDF為

(50)

證明由式(11)有

(51)

(52)

FZ(z)=Pr(K|hJE|2

(53)

根據K的表達式可知CDFFK(k)為

(54)

將式(54)代入式(53),由文獻[26]中的公式可得

(55)

K1(x)為第二類修正貝塞爾函數。

由式(24)可知,PDFfV(v)為

(56)

聯合式(55)和式(56),代入式(52),可得式(50)。其中,E1(x)為指數積分函數。

證畢

可以看到,由于被積函數形式十分復雜,因此,根據CDF的性質,同時結合文獻[21],進行相應簡化后有:

(57)

(58)

(59)

由分部積分法,可將式(48)重寫為

(60)

下面分別計算P2.1和P2.2:

(61)

(62)

求解積分后,有:

P2.1=D2(N-1)×

(63)

P2.2=D1N×

(64)

式中:Γ(x)表示伽馬函數,對應參數為

結合式(18)、式(27)、式(63)和式(64),可得保密中斷概率的閉合表達式。

4 仿真結果與討論

本節對基于能量采集的友好干擾機輔助下的多中繼系統的性能進行數值分析和仿真驗證,從保密中斷概率角度分析CCI下所提安全傳輸方案下系統的保密性能。為了驗證所提方案的有效性,本文設置并統一在CCI環境下的有關仿真參數后,與以下文獻中的安全方案進行仿真對比:① 方案I:基于能量采集的多RS的安全傳輸方案[27],在控制竊聽節點數目的基礎上,用于對比協作干擾方案對系統性能的影響。② 方案II:基于聯合中繼和友好干擾機選擇的安全傳輸方案[28],在控制中間節點數目的基礎上,用于對比RS方案對系統性能的影響。

4.1 仿真參數設置

本節仿真采用蒙特卡羅方法,所有的仿真結果均是由106次仿真后取平均值得到的。具體的仿真參數設置如表1所示,后文中如無特殊說明,仿真中均使用表1中所給出的參數值。

表1 系統的主要參數設置

4.2 結果分析與討論

圖2展示了不同方案下系統保密中斷概率隨發射機發射信噪比的變化情況。從圖2中可以看到,本文所提方案在高信噪比的區域,系統保密性能表現更好,能夠有效對抗CCI的影響,仿真值與解析值結果吻合情況較好,這符合文獻中進行簡化的假設條件,同時證明了系統保密中斷概率閉合表達式推導的準確性。如圖2所示,3種方案最終都能收斂到一個門限值,這是因為隨著發射機信噪比的增大,合法信號在合法用戶和竊聽者處的SINR都同時增大。因此,保密中斷概率將逐漸收斂。另外,仿真結果表明,在給定相同發射信噪比的約束下,在同一方案中,當保密速率RS由0.2 bit/s/Hz增加到0.4 bit/s/Hz時,盡管設定更高的保密速率RS能夠獲得更好的系統性能,但保密中斷概率的增加意味著發射機與合法用戶之間的保密傳輸更有可能被竊聽者成功攔截。

圖2 不同方案下系統保密中斷概率隨發射信噪比變化圖Fig.2 System secrecy outage probability achieved by different scheme versus signal to noise ratio of transmission

圖3比較了本文所提方案中RRS和ORS兩種RS策略的保密中斷性能隨發射信噪比的變化曲線圖。由圖3可以看到,當目標保密速率RS為0.4 bit/s/Hz時,不同RS策略對應的保密中斷概率均呈現單調遞減趨勢,進而收斂。同時,隨著發射信噪比的增加,最佳中繼選擇策略相較于隨機中繼策略具有明顯的優勢。這是因為ORS策略考慮了系統的保密性能,根據CSI做出有利選擇,表明CSI對于無線通信傳輸性能的提升起到了關鍵作用。另外,對于相同的RS策略而言,干擾源數目的增加對RS策略起到負面的作用,當干擾源數目N由8減少到5時,系統保密中斷概率在低信噪比時有明顯降低,系統保密性能變得更好,而當發射信噪比逐漸增加后,干擾源數目對保密性能的提升逐漸減弱。這是由于,對于足夠大的高信噪比而言,CCI在各節點處的接收信干噪比中占比將可忽略不計,所以其對系統的影響隨之減小。

圖4給出了系統保密中斷概率隨PS因子ρ的變化曲線圖。

圖3 兩種RS策略下的系統保密性能比較Fig.3 Comparison of system secrecy performance under two RS strategies

圖4 系統保密中斷概率隨PS因子的變化圖Fig.4 System secrecy outage probability achieved by proposed scheme versus PS factor

如圖4所示,可以得到:① 隨著PS因子的增加,系統保密中斷概率先減小而后隨之增大,系統的保密概率在PS因子從0.1增加到0.5左右后增強,這主要是因為,當PS因子在該范圍內增大時,友好干擾機中的信息傳輸(information transmission, IT)模塊得到了更多的能量,增加了人工噪聲的干擾信號發射功率,進一步降低了竊聽者處接收的SINR。因此,保密中斷概率不斷下降。此外,當PS因子ρ高于最優值后,保密中斷概率逐漸上升,原因在于友好干擾機中用于信號接收任務的能量降低,導致接收到的信號強度對友好干擾機信號傳輸造成負面影響。② 當干擾噪聲比(interference noise to ratio, INR)為2 dB或4 dB時,更高的能量轉化效率能夠提升友好干擾機采集的能量,增強系統保密性能。而當η相同時,干擾信噪比的增加,對系統保密性能提升顯著,這表明在一定情況下,增加干擾信噪比能夠提升保密性能。③ 對比不同的INR和η可以看到,盡管干擾信噪比減小,使得合法用戶和竊聽者的接收信號SINR均增大,但當η增大且ρ設置合理時,系統保密性能仍然能夠得到提升。這說明,友好干擾機的設置對系統保密性能具有十分重要的作用,同時可以看到,不同的參數設置為增強系統保密性能提供了多樣的思路和方案。

圖5研究了系統保密中斷概率隨干擾源數目N的變化曲線圖。

圖5 系統保密中斷概率隨干擾源數目N的變化圖Fig.5 System secrecy outage probability achieved by proposed scheme versus number of interference N

如圖5所示,當干擾源數目不斷增加時,系統保密中斷概率將隨之不斷減小。這是因為,CCI對竊聽信道的影響要更為顯著,N的增加會提供更多能量而用于發送人工噪聲。當INR相同時,中繼節點數目的增加也能夠增強系統的保密性能,這是因為,在本文方案中,增加中繼節點為RS策略提供了更多的備選節點,出現保密性更好的節點概率更大,故系統中斷概率進一步下降。對比不同曲線可以看到,當N=10,INR=2 dB或INR=4 dB時,若中繼數目M從4增加至8,系統保密中斷概率分別降低約0.106和0.034。而當N=10,M=4或M=8時,若INR從2 dB增加至4 dB,系統保密中斷概率分別降低約0.086和0.016。這表明在一定條件下,RS策略相較于協作干擾對提升系統的保密性能而言更為重要。因此,本文所提方案具有有效性。

5 結 論

多中繼協作技術作為第5代移動通信技術的重要組成部分,如何實現多中繼系統中信息的安全、可靠傳輸在當前具有十分重要的意義。本文針對多中繼傳輸系統在非理想信道條件下的信息安全問題和節點資源受限困境,提出了一種將中繼選擇與協作干擾相結合的混合協作物理層安全傳輸方案,通過基于能量采集的友好干擾機,在進行協作干擾的同時，節約了資源,并且提升了能量的利用效率。首先,在信息傳輸的第一階段,當部分CSI已知情況時,給出了兩種RS策略。在信息傳輸的第二階段,友好干擾機利用采集的能量向潛在的竊聽者發送人工噪聲信號,對抗竊聽者的被動攻擊,達到保密傳輸的目的;接著,在考慮CCI的傳輸環境下,推導出系統保密中斷概率閉合表達式;最后,利用蒙特卡羅仿真方法分析了有關參數對系統保密性能的影響,得到的相關結論具有一定的實際意義。下一步,將在考慮CCI的基礎上,進一步研究非完美CSI對多中繼系統的保密性能的影響。