协作干扰技术的提出、现状和未来展望*

龙 航，王 静，张月莹，王文博

（北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室 北京100876）

1 物理层安全技术的发展和协作干扰的提出

随着无线通信技术的发展，基于物理层资源的信息安全技术已成为无线通信和信息安全两个领域的研究热点。无线通信系统物理层资源的多样性为物理层安全技术的研究提供了广阔的空间，也留下了诸多亟待解决的问题。近10年来，无线通信中的物理层技术蓬勃发展，新技术层出不穷，因此，如何充分地开发物理层资源的唯一性和保密性，物理层安全技术的研究对其进行了深入的探索[1～3]。

当前，物理层安全技术的基本研究思路有两个方向[1,3]。其一，以各种窃听信道模型下的保密容量分析为基础，主要思想是如果主信道比窃听信道的可靠性更好，就可以确保在一定码率上的可靠通信。在此类研究中常采用的系统性能指标是保密容量（secrecy capacity）和保密中断率（secrecy outage probability）。其二，结合传统的加密思想，利用无线信道的特征来产生、管理和分发密钥，从而提高密钥管理的安全性。这一类研究是传统信息安全技术研究在物理层上的扩展。

协作干扰（cooperative jamming，CJ）技术是基于上述第一个研究方向，在物理层安全技术兴起后出现的一个分支，其基本思想是通过发送人为的噪声/干扰（artificial noise/jamming）信号，使其对窃听节点的损害大于对合法接收节点的影响，从而达到提升系统安全性的目的（如提升保密容量或窃听节点的中断率）。高斯窃听信道的保密容量表示为源节点（A）—目的节点（B）的互信息量与源节点（A）—窃听节点（E）的互信息量之差。因此，降低窃听节点的接收性能也是一种提升系统安全性的方法。

如图1所示，在传统的源—目的—窃听（A-B-E）信道模型下，系统保密容量的表达式 C=[I（A；B）-I（A；E）]即A-B的互信息量与A-E的互信息量之差。在此模型下引入协作干扰节点J，在A向B发送信号的同时J发送干扰信号，B和E同时接收到J的干扰信号，若E的接收性能恶化程度超过B的接收性能恶化程度，则协作干扰的使用提升了系统的保密容量。

图1 协作干扰示意

协作干扰技术的提出是通信技术研究的一大突破。在传统通信系统中，干扰信号是降低系统性能的因素之一。协作干扰技术将干扰信号转变为有利于系统性能的因素，同时改变了通信系统中多个通信实体的行为，也引入了新的通信实体（协作干扰节点）。协作干扰技术丰富了物理层安全的技术手段，是新兴的物理层安全技术研究热点。

协作干扰技术的起源有两个。2005年，参考文献[4]和参考文献[5]最早提出了使用人为噪声影响窃听节点的接收。源节点装备多天线，同时发送有用信号和人为干扰信号。假设源节点已知A-B信道，窃听节点已知A-B和A-E的信道（因此不能用信道作为密钥）。源节点将人为干扰信号置于A-B信道的零空间上，因此在降低窃听节点性能的同时不影响目的节点B的接收。2006年，参考文献[6]提出了协作保密（collaborative secrecy）的概念，利用空闲用户向窃听节点发送干扰信号，使其遭受的损害大于合法目的节点受的影响。

从2005年至今，协作干扰技术的研究发展已经分化出多个类别和形式。根据干扰信号的特征可以将其分为4类。除此之外，还可以根据系统的节点数量和拓扑结构将协作干扰通信系统分为简单场景和复杂场景。下面分别对各类协作干扰技术的研究现状进行总结，并指出进一步研究的若干方向。

2 协作干扰信号的分类

在现有的协作干扰技术研究中，所采用的人为干扰信号可以分为以下4类。

（1）高斯白噪声

目的节点B和窃听节点E都将协作干扰信号作为白噪声进行处理，协作干扰同时降低了B和E的接收性能。使用这种干扰信号形式的如参考文献[7～9]等所述。

（2）合法节点已知的信号

协作节点根据预先定义的方式产生干扰信号，目的节点B通过某种方式预先已知协作干扰信号，因此可以使用自干扰消除（self-interference cancellation，SIC）接收机将其从接收信号中删除，而窃听节点E对此未知。这种类型的协作干扰信号对B的接收性能没有影响，但可以降低E的接收性能。B对协作干扰信号的先验已知可以通过很多不同的方式获得，例如通过安全的有线连接将干扰信号在协作干扰节点J和B之间共享[10]，或者J就是B，即人为干扰信号是由目的节点发出的[11～13]，或B和J通过其他方式提前约定将使用的干扰信号形式[14～16]，或者通过传输协议设计使得B提前获知干扰信号形式[11]等。

（3）公开码书中的随机码字序列

根据一个所有节点均已知的码书，协作干扰节点使用随机01序列进行编码产生干扰信号，目的节点B和窃听节点E均可针对干扰信号进行译码和删除。因此，协作节点需要通过提升干扰信号的每符号信息量，使其在E无法译码成功而在B可以译码成功并从接收信号中删除。这类协作干扰信号在窃听信道保密容量分析中普遍使用，例如参考文献[6]和参考文献[17～20]等。

（4）其他传输链路的有用信号

[21,22]提出使用相邻小区的上下行传输互为协作干扰；参考文献[23,24]中非授权用户受邀占用收费频段传输并同时充当协作干扰节点；参考文献[25]提出无线系统中的多个传输对同时进行发送，互相构成协作干扰。

表1 4类人为干扰信号的优缺点对比

根据上述协作干扰信号的分类，可以分别总结各类协作干扰信号的优缺点，见表1。目前，第1类信号由于对系统保密容量性能提升有限，其相关研究也较少。而基于第4类干扰信号的研究相对零散，且相互间不存在紧密的联系。当前的研究主要集中于第2类和第3类干扰信号。

3 协作干扰技术的研究现状

根据窃听信道的拓扑结构，协作干扰技术的研究可以分为简单场景和复杂场景两部分。简单场景下除协作干扰节点J外，仅包括源节点A、目的节点B与窃听节点E。复杂场景下除上述节点外，还包括若干个协同中继节点R。

3.1 简单场景下的协作干扰

简单场景关注的是直通的源节点—目的节点（A-B）传输对，在存在窃听节点E的情况下采用协作干扰技术。根据干扰信号的来源可以分为自干扰和外干扰两种情况，分别对应由A发送有用信号的同时也发送干扰信号和在A发送有用信号时引入一个外来的协作干扰节点J发送干扰信号。

（1）简单场景下的自干扰

此时系统中存在3个节点，源节点A—目的节点B—窃听节点E。A的发送信号中同时包括有用信号和人为干扰。当A装备多天线时，可以通过预编码（波束成形）技术，对有用信号和干扰信号采用不同的波束成形矢量。有用信号的波束成形矢量以增强B的接收性能为设计目标，干扰信号的波束成形矢量需要避开A-B信道，集中干扰E的接收。

前述最早出现的协作干扰技术研究[4,5]即可归为此类。除此之外，参考文献[26]在参考文献[4]的第一种场景基础上讨论了信号与干扰的功率分配问题。参考文献[27,28]对信道状态信息（channel state information，CSI）采用了更严格的假设。参考文献[29]研究了所有节点均有多天线，A未知A-E信道时，以保证B的信干噪比为目标的协作干扰设计。本类别的研究比较集中，其区别仅在于各节点天线数、已知CSI的程度及优化目标，时间分布在2005-2009年，近3年没有更深入的研究面世。

（2）简单场景下的外协作干扰

此时系统中存在至少4个节点，源节点A—目的节点B—窃听节点E—协作干扰节点J。当A向B发送信号时，J发送干扰信号影响E的接收，如图1所示。前述参考文献[6]提出的方法即属此类。当所有节点只有单天线时，当前的研究点有特殊传输协议设计[30]（协作干扰与DPC的结合）、各节点间的功率分配[14,15,31]、协作干扰节点选择[32]、分布式协作干扰矢量设计[32,33]等。当节点装备多天线时，除上述研究点之外，更多的研究内容集中于有用信号（A）[34,35]和人为干扰信号（J）[7,9,34,35]的波束成形矢量设计。

如前所述，简单场景下的自干扰技术研究已相对较为成熟，而外干扰技术的研究尚不充分。协作干扰技术研究中，相对成熟的方案设计一般是基于理想CSI的假设。然而，基于非理想CSI的方案研究对现实应用更有意义，尤其是与窃听节点E相关的CSI（A-E，J-E）。例如，当节点装备多天线时，A-E和J-E链路的传播方向与A和J的天线阵间的夹角等信息有助于获得信道的直射径分量或信道分布的相关阵等，而这些信息相比于实时的准确的信道信息更容易获得。因此，基于非理想CSI下的协作干扰技术研究和方案设计，是下一步研究开展的潜在方向之一。

3.2 复杂场景下的协作干扰

复杂场景下，窃听系统除源节点、目的节点、窃听节点和协作干扰节点之外，还包括若干个中继节点，同样可以分为自干扰和外干扰两类分别进行总结。

（1）复杂场景下的自干扰

此时系统模型中没有专门的协作干扰节点。系统模型一般为源节点S—中继节点R—目的节点D—窃听节点E、S-多R-D-E或者双向中继系统S1-R-S2-E，干扰信号由S和/或D发出。当D作为干扰节点时，D可以直接将干扰信号从接收信号中删除，因此不影响D的接收性能，但可以降低E的接收性能。

如图2(a)所示，E即是R，参考文献[11]和参考文献[36]提出了一种简单而巧妙的协作干扰方法。第1阶段，S向R（E）发送信号，同时D向R（E）发送人为干扰信号；第 2阶段，R（E）向D发送混合信号，由于干扰信号由D发出，因此可以在接收信号中将其直接删除。

在S-R-D-E模型中，参考文献[13]和参考文献[37～39]提出和研究了D和S轮流发送协作干扰信号的方法。如图2（b）所示，第1阶段，S向R发送信号，E窃听，D发送人为干扰；第2阶段，R向D发送信号，E窃听，S发送人为干扰。但是，目前中继窃听系统中的自干扰研究并不多，尤其是双向中继系统中的自干扰研究目前仍是空白。

图2 中继窃听系统下的自协作干扰示意

双向中继系统中的自干扰研究可以根据关注的窃听系统的拓扑结构的不同分为如图3所示的两个场景。如图3(a)所示，双向中继系统外的窃听节点可以从两个源节点和中继节点的发送信号中进行窃听；在图3(b)中，中继节点即为窃听节点。在此类场景下，协作干扰信号可以由两个源节点发送。根据针对的双向中继协议的不同，可以分别开展2阶段和3阶段双向中继协议下的协作干扰研究。由于干扰信号和有用信号均由两个源节点发送，功率分配将是协作干扰技术研究中的关键问题。在双向中继系统的自干扰技术研究的基础上，将协作干扰技术与网络编码（尤其是物理层网络编码技术）结合进行研究，将具有广阔的前景。

图3 双向中继窃听系统下的自协作干扰示意

（2）复杂场景下的外协作干扰

此类系统的典型模型是S-R-D-E-J，以图4中的窃听系统为例进行说明。源节点S通过多个中继节点（R1～RM）向目的节点D进行传输，窃听节点E接收S和R1～RM的发送信号进行窃听，多个协作干扰节点（J1～JN）向窃听节点E发送人为干扰信号。多个中继节点和协作干扰节点的加入以及中继节点和协作干扰节点的角色可以相互转化，给协作干扰研究带来了极大的灵活性。此类场景下比较集中的研究点有特殊的传输协议设计[12]、中继节点（组）选择[8,12,40～42]、协作干扰节点（组）选择[8,12,16,40,42]、中继转发矢量设计[43]、协作干扰矢量设计[12,43]等。

图4 多中继窃听系统中的外协作干扰示意

在复杂场景下对外协作干扰开展进一步研究，可以从以下两个方面入手。

首先，在多中继窃听系统中，处于源节点和目的节点之间的多个节点既可以作为中继节点转发源节点的信号，也可以作为协作干扰节点发送干扰信号。研究协作节点的协作方式自适应切换（中继和协作干扰）是现有多中继窃听系统中的协作干扰技术的拓展研究方向之一。

其次，由于多个中继节点和协作干扰节点的存在，多中继窃听系统中的协作干扰技术研究一般假设所有节点（至少是中继节点和协作干扰节点）均已知全局的完美的CSI。这样的假设在研究的初期是简单合理的选择，基于此得到的基本结论和定量结果可以作为新技术或方案研究的性能增益上限和边界。在进一步的研究中，部分CSI的假设是更为合理的选择，例如每个中继节点和协作干扰节点仅获知与本节点相关的CSI或每个信道并非理想已知，考虑CSI的误差和节点仅知信道的分布信息等情况下的分布式协作干扰技术研究，可以作为多中继窃听系统中的外协作干扰技术研究的新方向之一。

3.3 其他应用研究

除第3.1节和第3.2节中总结的研究内容之外，协作干扰研究中还有一些较为零散的内容，主要是基于第2节中归纳的第4类干扰信号形式，即将系统中本已存在的多个传输链路置于相同的时频资源中进行传输，人为造成干扰，用以影响窃听节点的接收性能。例如，参考文献[23,24]将协作干扰与感知无线电相结合，为了提升传输的安全性，授权用户通过竞价拍卖的方法邀请其他非授权用户充当协作干扰节点。参考文献[21,22]提出使用相邻小区的信号互为协作干扰的方法，即本小区上行传输与邻小区下行传输同时进行，用邻小区基站的下行信号干扰本小区上行传输的窃听节点，达到降低窃听节点性能，提升系统保密容量的目的。

这类协作干扰研究的共同特点是并不增加额外的协作干扰源和人为的干扰信号，而是通过改变其他节点的通信行为，使正常的通信信号起到协作干扰的作用。这类研究思路都较为新奇，其缺陷在于对现有通信系统做了较大的修改，虽然通过将多个传输对集中于相同的时频资源进行传输可以达到干扰窃听端的作用，但是总体看来，带来的问题超过益处。

4 协作干扰技术的未来研究展望

根据对协作干扰技术研究现状的总结，可见中继技术、多天线技术与协作干扰技术的结合是当前的研究热点，尤其在近两年里的研究成果较为突出。但是，协作干扰技术中仍有很多研究领域尚未充分发掘。前文在描述各类协作干扰技术研究现状时，已对未来可以预见的研究方向有所阐述，归纳总结如下。

·简单场景下的外协作研究，对A-E和J-E信道状态信息的不同假设下的协作干扰进行研究。

·多中继窃听系统中，中继节点/协作干扰节点的自适应角色转换。在多中继窃听系统中，源节点与目的节点之间的协作节点，既可以作为中继节点向目的节点转发信号，也可作为协作干扰节点向窃听节点发送干扰信号。协作节点自适应角色转换技术的研究，也是未来研究的方向之一。

·多中继窃听系统中，基于非完美的部分信道状态的协作中继转发和协作干扰技术研究。考虑每个节点仅已知与本节点相关的信道状态信息或仅已知相关信道的分布等信息的情况，研究多节点的分布式转发和协作干扰技术，将作为未来的主要研究方向之一。

参考文献

1 龙航,袁广翔,王静等.物理层安全技术:研究现状与展望.电信科学,2011,27(9):60～65

2 吴越,易平,李建华.无线通信中物理层安全问题及其解决方案.中国通信,2011(5):11～19

3 杨斌.无线通信物理层安全技术研究.信息网络安全,2012(6):76～79

4 Negi R,Goel S.Secret communications using artificial noise.Proceedings of IEEE VTC Fall,Dallas,TX,USA,2005:1906～1910

5 Goel S,Negi R.Guaranteeing secrecy using artificial noise.IEEE Transactions on Wireless Communications,2008,7(6):2180～2189

6 Tekin E,Yener A.Achievable rates for the general Gaussian multiple access wire-tap channel with collective secrecy.Proceedings of Allerton Conference on Communication,Control,and Computing(ACCCC),Monticello,IL,USA,2006

7 Dong L,Han Z,Petropulu A P,et al.Cooperative jamming for wireless physical layer security.Proceedings of IEEE Workshop on Statistical Signal Processing,Cardiff,UK,2009:417～420

“当务之急是加强规章制度建设，使‘粮食银行’在统一制度和规则下运行。”祝跃华认为，应从国家层面总结各地经验，针对“粮食银行”存在的风险漏洞，建立健全规章制度，使其有章可循、规范运作、健康发展。多位受访者认为，“粮食银行”经营业务涉及千家万户，遭遇粮食市场低迷行情，运行暴露出的多重风险值得关注，亟待出台政策引导和规范。

8 Krikidis I,Thompson J,Mclaughlin S.Relay selection for secure cooperative networks with jamming.IEEE Transactions on Wireless Communications,2009,8(10):5003～5011

9 Dong L,Han Z,Petropulu A P,et al.Improving wireless physical layer security via cooperating relays.IEEE Transactions on Signal Processing,2010,58(3):1875～1888

10 Jorgensen M L,Yanakiev B R,Kirkelund G E,et al.Shout to secure:physical-layer wireless security with known interference.Proceedings of IEEE Global Telecommunication Conference,Washington DC,USA,2007:33～38

11 He X,Yener A.Two-hop secure communication using an untrusted relay:a case for cooperative jamming.Proceedings of IEEE GLOBECOM,New Orleans,LA,USA,2008:1～5

12 Ding Z,Leung K K,Goeckel D L,et al.Opportunistic relaying for secrecy communications:cooperative jamming vs relay chatting.IEEE Transactions on Wireless Communications,2011,10(6):1725～1729

13 Huang J,Swindlehurst A L.Secure communications via cooperative jamming in two-hop relay systems.Proceedings of IEEE GLOBECOM,Miami,Florida,USA,2010:1～5

14 Han Z,Marina N,Debbah M,et al.Physical layer security game:interaction between source,eavesdropper and friendly jammer.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2009（11）

15 Han Z,Marina N,Debbah M,et al.Physical layer security game:how to date a girl with her boyfriend on the same table.Proceedings of International Conference on Game Theory for Networks,Istanbul,Turkey,2009:287～294

16 Zhang R,Song L,Han Z,et al.Distributed coalition formation of relay and friendly jamme rs for secure cooperative networks.Proceedings of IEEE ICC,Kyoto,Japan,2011:1～6

17 Tekin E,Yener A.The general Gaussian multiple access and two-way wire-tap channels:achievable rates and cooperative jamming.IEEE Transactions on Information Theory,2008,54(6):2735～2751

18 Lai L,El Gamal H.The relay-eavesdropper channel:cooperation for secrecy.IEEE Transactions on Information Theory,2008,54(9):4005～4019

19 Tang X,Liu R,Spasojevic P,et al.Interference-assisted secret communication.IEEE Transactions on Information Theory,2011,57(5):3153～3167

20 Pierrot A J,Bloch M R.Strongly secure communications over the two-way wiretap channel.IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2011,6(3):595～605

21 Simeone O,Popovski P.Secure communications via cooperating base stations.IEEE Communications Letters,2008,12(3):188～190 22 Popovski P,Simeone O.Wireless secrecy in cellular systems with infrastructure-aided cooperation.IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2009,4(2):242～256

23 Stanojev I,Yener A.Recruiting multi-antenna transmitters as cooperative jammers:an auction-theoretic approach.Proceedings of Annual Allerton Conference on Communication,Control,and Computing,Monticello,IL,USA,2011:1106～1112

24 Stanojev I,Yener A.Cooperative jamming via spectrum leasing.Proceedings of International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile,Ad Hoc and Wireless Networks(WiOpt),Princeton,New Jersey,USA,2011:265～272

25 Sheikholeslami A,Goeckel D,Pishro-Nik H,et al.Physical layer security from inter-session interference in large wireless networks.Proceedings of IEEE INFOCOM,Orlando,FL,USA,2012:1179～1187

26 Zhou X,McKay M R.Physical layer security with artificial noise: secrecy capacity and optimal power allocation.Proceedings of International Conference on Signal Processing and Communication Systems(ICSPCS),Omaha,NE,USA,2009:1～5

27 Khisti A,Wornell G,Wiesel A,et al.On the Gaussian MIMO wiretap channel.Proceedings of IEEE International Symposium on Information Theory,Nice,France,2007:2471～2475

28 Li Z,Trappe W,Yates R.Secret communication via multi-antenna transmission.Proceedings of Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS),Baltimore,MD,USA,2007:905～910

29 Swindlehurst A L.Fixed SINR solutions for the MIMO wiretap channel.Proceedings of IEEE Int Conf on Acoustic,Speech and Signal Processing(ICASSP),Taipei,Taiwan,2009:2437～2440

30 Krikidis I,Thompson J S,Grant P M,et al.Power allocation for cooperative-based jamming in wireless networks with secrecy constraints.Proceedings of IEEE GLOBECOM Workshops,Miami,Florida,USA,2010:1177～1181

31 Gabry F,Thobaben R,Skoglund M.Outage performance and power allocation for decode-and-forward relaying and cooperative jamming for the wiretap channel.Proceedings of IEEE ICC Workshops,Kyoto,Japan,2011:1～5

32 Dehghan M,Goeckel D,Ghaderi M,et al.Energy efficiency of cooperative jamming strategies in secure wireless networks.IEEE Transactions on Wireless Communications,2012,11(9):3025～3029 33 Zheng G.Choo L C,Wong K K.Optimal cooperative jamming to enhance physical layer security using relays.IEEE Transactions on Signal Processing,2011,59(3):1317～1322

34 Fakoorian S A A,Swindlehurst A L.Secrecy capacity of MISO Gaussian wiretap channel with a cooperative jammer.Proceedings of IEEE International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications(SPAWC),San Francisco,CA,USA,2011:416～420

35 Fakoorian S A A,Swindlehurst A L.Solutions for the MIMO Gaussian wiretap channel with a cooperative jammer.IEEE Transactions on Signal Processing,2011,59(10):5013～5022

36 Sun L,Zhang T,Li Y,et al.Performance study of two-hop amplify-and-forward systems with untrustworthy relay nodes.IEEETransactionson VehicularTechnology,2012,61(8):3801～3807

37 Huang J,Swindlehurst A L.Cooperation strategies for secrecy in MIMO relay networks with unknown eavesdropper CSI.Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics,Speech and Signal Processing(ICASSP),Wuhan,China,2011:3424～3427

38 Huang J,Swindlehurst A L.Cooperative jamming for secure communications in MIMO relay networks.IEEE Transactions on Signal Processing,2011,59(10):4871～4884

39 Liu Y,Petropulu A P,Poor H V.Joint decode-and-forward and jamming for wireless physical layer security with destination assistance.Proceedings of Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers (ASILOMAR),Pacific Grove,CA,USA,2011:109～113

40 Chen J,Zhang R,Song L,et al.Joint relay and jammer selection for secure two-way relay networks.IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2012,7(1):310～320

41 Goeckel D,Vasudevan S,Towsley D,et al.Artificial noise generation from cooperative relays for everlasting secrecy in two-hop wireless networks.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2011,29(10):2067～2076

42 Ding Z,Xu M,Lu J,et al.Improving wireless security for bidirectional communication scenarios.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2012,61(6):2842～2848

43 Guan X,Cai Y,Wang Y,et al.Increasing secrecy capacity via jointdesign ofcooperative beam forming and jamming.Proceedings ofIEEEInternationalSymposiumon PersonalIndoorand Mobile Radio Communications(PIMRC),Toronto,ON,Canada,2011:1274～1278