无线通信网第m佳用户调度安全性能分析

冯友宏，王启蒙，岳雪峰，杨 志

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖241000)



无线通信网第m佳用户调度安全性能分析

冯友宏，王启蒙，岳雪峰，杨 志

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖241000)

针对发送端有多个用户(M)并且存在窃听者的无线通信系统的安全问题，在最优用户选择的基础上，提出选择第m佳的用户来发送信息，根据提出的模型思想进一步推出该方案下的安全中断概率表达式，最后通过仿真实验来分析安全中断概率与信道信噪比、安全传输速率以及发送端用户数目之间的关系。仿真结果表明：① 当固定其他条件不变，主信道信噪比增加、窃听信道信噪比减少、安全传输速率变小和发送端用户增加都能使安全中断概率减小，使系统的安全性能提高；② 仿真结果与理论分析一致，随着m的减小，安全中断概率减小，系统的安全性能变好，当选择最佳的用户时，系统的安全中断概率最小，安全性能最好；③ 提出的选择方案相对随机选择发送端的用户有显著的优点，降低了通信系统的安全中断概率，有效提高了系统的通信安全。

无线通信网；物理层安全；安全中断概率；第m佳用户调度

0 引言

传统的保护无线网络的研究是以密码学为基础的相关加密技术，然而随着科技的发展，上层加密技术的缺点就显露出来：计算机技术的发展首先使信息变得容易被窃听；其次，它的发展让上层加密技术的密钥管理和分配更加复杂，加密过程更加困难。因此，更多研究人员开始研究无需密钥协商的安全方案，就是物理层安全[1-3]。物理层安全主要是利用信道特征的差异来保证信息安全传输。对物理层安全的研究可追溯到1948 年香农(Shannon)提出的一般意义上的加密模型。

信息通过密钥加密后进行传输，窃听端与合法接收端都能收到加密后的密文，合法接收端知道密钥，可以用它解密接收到的密文，而窃听端没有密钥，无法解密出原来的信息。Wyner在上世纪70 年代提出了wiretap 信道模型并给出了香农安全意义下的信息安全传输容量。wiretap 信道需要主信道(合法用户之间)比窃听信道有容量优势，但近几年的理论及技术的发展突破了这个要求。

1 相关研究

物理层安全技术的研究发展迅速，在文献[4-5]中证明了信道中存在窃听者的情况下，当发送节点与目的节点的之间的信道(合法用户信道)性能优于发送节点与窃听节点之间的信道(窃听信道)性能时，发送节点可以安全地与目的节点进行通信。在文献[6]中证明了即使在合法用户信道比窃听者信道差的情况下，信息依然可以进行安全传输。协作中继技术(Cooperative Relay，CR)作为一个研究方向带来了一系列成果，协作中继技术是利用系统中的中继节点或者其他的辅助节点来协助数据传输技术，能够有效地抵御无线信道的衰落。选择技术包含用户调度和天线选择。用户调度是指当有多个用户存在时，选择合适的用户来发送或接收信息并分析该方案的安全性能；天线选择作为一种强有力的信号处理技术,在保证系统性能的同时降低系统复杂度以及实施成本。人工噪声在发射端添加适当的人工噪声，以牺牲部分发射功率为代价，可人为增大窃听者与合法接收者之间的信道质量差距。因此，即便合法接收者的信道噪声强于窃听者，安全传输仍然可能实现。

文献[7]提出了有天线选择空间调制方案和中继选择空间调制方案结合的空间调制系统方案。在多路输入输出系统中，针对空间调制技术存在的欠缺，选择发送端信道状态最强的天线进行空间调制。进一步把该思想引入协作通信网，该方案能提升系统性能，且使系统配置更加灵活。文献[8]对于一个多用户无线网络，将多用户调度与协作干扰技术有机结合，对Round-robin、Suboptimal与Optimal这3用户调度策略在不加协作干扰情景与附加协作干扰情景进行理论与仿真分析，最后证明 Optimal用户调度策略相对于其他用户调度策略具有最佳的安全性能，而Suboptimal用户调度策略也具有较好的安全性能，且Round-robin用户调度策略的安全性能最差。最后还证明联合方案的安全性能高于仅采用多用户调度的方案。文献[9]提出了一种人工噪声新方案。对于未知窃听信道状态的多输入单输出系统，首先，在发送端既考虑合法信道的状态信息又考虑人工噪声具体取值，判断到合法接收端的人工噪声是否有利。然后，人工噪声有益时，采用全向波束赋形矢量，人工噪声可改善合法接收者的检测性能；人工噪声为无益噪声时，则利用波束赋形使其处于合法信道零空间，人工噪声不对合法接收者产生干扰。接着，结合特定的BPSK和QPSK调制方式，给出是否有益的判别规则，分析对应的误比特率与保密容量。最后证明利用有益的人工噪声，相较于传统的人工噪声方案，提高了合法接收端的性能，改善保密容量，从而提高物理层安全。文献[10]在窃听存在多路输入输出系统中，SC表示与接收端天线选择结合，MRC表示与接收端接收最大信噪比的天线结合，提出并分析结合发送端天线选择(TAS)和接收端广义选择(GSC)的方案。首先，在发送端选择状态最强的天线发送信号，而接收端选择部分天线按一定的规则接收信号；然后，推出新的准确的渐近保密中断概率表达式并仿真分析；最后，TAS/GSC与TAS/SC和TAS/MRC相比较，证明得到最大的保密中断分集增益。

文献[11]研究最优中继选择，这里的最优中继参加转发，文中没有考虑窃听者，信息传送有2个路径：直接链路和经过最优中继的间接链路。选择在目的节点接收信噪比最高的中继作为最优中继，然后得出拦截概率表达式和平均信道容量等。仿真结果表明最优中继选择方案节省了大量资源，且能维持系统的多样性。最优中继选择是最一般情况，文献[12-13]在文献[11]的基础上，提出在无线通信系统中第N佳中继选择方案，推出拦截概率表达式和平均信道容量，分析可知随着N的增大，系统的各项性能下降，文献没有应用在物理层安全上。然而本文在基于物理层安全研究的基础上，结合上面提到的选择方式，对有窃听的无线通信系统发送端用户进行选择。与传统的选择最佳的用户来发送信息不同，本文考虑在某些情况下，最佳的用户可能不可用，如一些规则或负载平衡问题，在这种情况下可以使用第二佳的用户或更一般的第m佳的用户。因此，本文的主要目的是提出在窃听存在的无线通信系统中调度第m佳用户来发送信息，并对提出的用户调度方式进行一个完整的分析。当m=1，就是选择最佳用户，选择最佳用户是其中的一个特例。

2 系统模型

系统如图1所示，该系统是由M个源节点(Sources， S)(合法发送端)、一个目的节点(Destination， D)(合法接收端)和一个窃听节点(Eavesdropper， E)(非法接收端)构成。合法发送端、合法接收端和非法接收端都是单天线的。选择一个源节点向目的节点发送信息，但是有时候最佳的源节点被占用或者其他原因不能选择最佳源节点时，只能考虑选择第m佳的源节点发送信息，此时窃听节点企图利用源节点的传送来窃取信息，从而产生安全问题。也可以有m=1，它是选择最佳源节点时的情况，是本文的一个特例。

图1 无线通信网物理层安全节点调度

(1)

(2)

根据参考文献可知，系统的安全信道容量为：

(3)

(4)

(5)

3 安全的中断概率分析

根据第2节对系统模型的分析，可得系统的安全中断概率表达式为：

(6)

(7)

(8)

由上可知，选择第m佳源节点时，合法用户处的累积分布函数(CDF)为：

(9)

窃听用户处概率密度函数为：

（3）中期 在肝衰竭早期表现基础上，病情进一步发展，ALT和（或）AST快速下降，TBil持续上升，出血表现明显（出血点或瘀斑），20%＜PTA≤30%（或 1.9≤INR＜2.6），伴有 1 项并发症和/或1个肝外器官功能衰竭。

(10)

将式(9)、式(10)带入式 (7)得：

(11)

4 仿真结果及分析

本节借助MATLAB软件进行仿真。

4.1 信道信噪比

研究无线通信系统的安全性能与信道信噪比之间的关系。首先令发送端用户数目M=4，m的值代表信道性能第m佳的用户，并且与随机选择用户发送信息相比较。图2令γse=5 dB保持不变，主信道信噪比由0～25 dB变化；图3令γsd=15 dB保持不变，窃听信道信噪比从-5～10 dB变化。仿真结果如图2、图3所示。

图2 安全中断概率与主信道SNR之间的关系

图3 安全中断概率与窃听信道SNR之间的关系

从图2和图3可以得到如下的结论：① 随着m的增大，安全中断概率也上升，说明仿真结果符合理论分析，最佳用户安全性最好；② 窃听信道信噪比不变，当主信道信噪比大于15 dB时，随机选择发送端用户较选择第m佳用户得到的中断概率大，系统的安全性就低；并且随着发送端到合法接收端之间的信道的信噪比增加，系统中断概率会变小，系统的安全性能升高，通过这种方式可以有效提高系统的安全性能；③ 主信道的信噪比不变，当窃听信道信噪比小于5 dB时，随机选择发送端用户较选择第m佳用户得到的中断概率大，系统的安全性就低；并且随着发送端到窃听用户之间信道的信噪比增加，系统中断概率变大，系统的安全性能降低，要提高系统的安全性能时可以考虑降低发送端到窃听用户之间的信道的信噪比。

4.2 安全的传输速率

图4 安全中断概率与安全的传输速率之间的关系

从图4可以得到如下的结论：① 随着m的增大，安全的中断概率也上升，说明仿真结果符合理论分析，最佳用户安全效率最好；② 当合法用户与窃听用户的信噪比都不变，当Rs小于2.5时，随机选择发送端用户较选择第m佳用户得到的中断概率大，系统的安全性就低；同时安全的中断概率随着安全信息速度的增加而上升，即系统的安全性能降低。

4.3 发送端用户数目

研究无线通信系统的安全性能与发送端用户数目之间的关系，假设发送端数目M从2～6户，每次选择第2佳的用户，固定主信道的信噪比和窃听信道的信噪比都不变，并且与随机选择用户发送信息相比较。仿真结果如图5所示。

图5 安全中断概率与发送端用户数目的关系

从图5可得到以下结论：随着发送端用户数目增加(M=2到M=6)，中断概率减小，系统的安全性能提高。而随机选择用户的中断概率不随发送端用户数目变化而变化。当发送端用户数量等于2时，选择其第二佳用户就是选择最差的用户，相较于随机选择用户得到的安全中断概率大，系统的安全性就低；当发送端用户大于2时，选择第2佳用户较随机选择发送端用户得到的安全中断概率小，系统的安全性就高。

5 结束语

本文从基于无线通信的物理层安全的角度出发，利用信道差异来实现物理层信息的安全传输。首先提出一种无线通信物理层安全的系统模型，即当发送端有多个用户(M)时，选择第m佳的用户来发送信息，根据提出的模型推出了相应的安全中断概率密表达式，通过仿真实验分析出安全中断概率与信道信噪比、安全的传输速率以及发送端用户数目之间的关系。最后可知，当固定其他条件不变，主信道信噪比增加、窃听信道信噪比减少、安全传输速率变小和发送端用户增加都能使安全中断概率减小，使系统的安全性能提高，所以可以改变这几个因素来加强无线通信网的安全。另外，本文的选择方案相对随机选择发送端的用户有显著的优点，降低了通信系统的安全中断概率，有效提高了系统的通信安全。

[1] Zou Y,Zhu J, Wang X,et al. Improving Physical-layer Security in Wireless Communications Using Diversity Techniques[J]. IEEE Netw.,2015,29(1):42-48.

[2] Liu R,Trappe W. Securing Wireless Communications at the Physical Layer[M].New York,NY: Springer Verlag,2010.

[3] Zou Y,Wang X,Shen W. Physical-layer Security with Multiuser Scheduling in Cognitive Radio Networks[J]. IEEE Trans. Commun.,2013,61(12):5103-5113.

[4] Wyner A D. The Wire-tap Channel[J]. Bell Syst. Tech. J.,1975,54(8):1355-1387.

[5] Leung-Yan-Cheong S K,Hellman M E. The Gaussian Wiretap channel[J]. IEEE Trans. Inf. Theory,1978,24(4):451-456.

[6] Maurer U M. Secret Key Agreement by Public Discussion from Common Information[J]. IEEE Trans.Inf.Theory,1993,IT-39 (3): 733-742.

[7] 张燕，岳殿武.具有天线选择与中继选择的空间调制技术[J].电讯技术，2015，55(1):7-12.

[8] 邹玉龙，蒋元.联合多用户调度与协作干扰选择的无线物理层安全研究[J].数据采集与处理，2015，30(4):766-773.

[9] 雷维嘉，林秀珍，杨小燕，等.利用人工噪声提高合法接收者性能的物理层安全方案[J].电子与信息学报，2016，38(11):2887-2892.

[10]Yang N,Yeoh P L,Elkashlan M,et al.MIMO Wiretap Channels: A Secure Transmission Using Transmit Antenna Selection and Receive Generalized Selection Combining[J].IEEE Commun.,Lett.,2013,17(9):1754-1757.

[11]Ikki S,Ahmed M H.Performance Analysis of Adaptive Decode-and-Forward Cooperative Diversity Networks With The Best Relay Selection[J].Submitted to IEEE Trans. on Commun. ,2010,58(1):68-72.

[12]Ikki S S,Ahmed M H. On the Performance of Adaptive Decode-and-Forward Cooperative Diversity with the Nth Best-Relay Selection Scheme[C]∥GLOBECOM 2009-2009 IEEE Global Telecommunications Conference,2009:1-6.

[13]Ikki S S,Ahmed M H. On the Performance of Cooperative-diversity Networks with the Nth Best Relay Selection Scheme[J].IEEE Trans.Commun.,2010,58(11):3062-3069.

[14]Vaughan R J,Venables W N. Permanent Expressions for Order Statistics Densities[J].J. Roy. Statist. Soc. Ser. B,1972 ,34 (2) :308-310.

Analysis on Security Performance of themthBest-user Scheduling in Wireless Communication Network

FENG You-hong ,WANG Qi-meng ,YUE Xue-feng ,YANG Zhi

(College of Physics and Electronic Information,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241000,China)

In view of security issues of wireless communication system caused by multiple users (M) at sending end and eavesdroppers,on the basis of the optimal user to be selected,this paper proposes the scheme of select the mthbest-user for information transmitting. Based the proposed model idea,the expressions of secrecy outage probability is derived in this scheme. Through the simulation experiment,the relation between secrecy outage probability and channel signal-noise-ratio,secure transmission rate as well as number of users at sending end. The simulation results show that (1) when the other conditions are constant,the increased signal-to-noise ratio of the main channel,decreased signal-to-noise ratio of the eavesdropping channel and security transmission rate as well as increased source nodes all can reduce the secrecy outage probability and improve the security performance of the system. (2) The simulation results are consistent with the theoretical analysis. With the decrease ofm,the secrecy outage probability decreases,and the security performance of the system gets better. When the best user is selected,the secrecy outage probability of system is the smallest and the security performance is the best. (3) The scheme has the advantages compared with random selection of the user at the source nodes,which reduces the secrecy outage probability of communication system and effectively improves the communication security of system.

wireless communication network; physical layer security; secrecy outage probability; themthbest-user scheduling

2017-04-26

国家自然科学基金项目 (U1334210)；江苏省高校研究生科研创新计划项目(KYLX15_0833)

冯友宏(1979—),男，副教授，主要研究方向:无线通信、物理层安全。王启蒙(1993—)，女，硕士研究生，物联网技术专业，主要研究方向：物理层安全。

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.05.02

冯友宏,王启蒙,岳雪峰,等. 无线通信网第m佳用户调度安全性能分析[J].无线电通信技术,2017,43(5): 06-10.

[FENG Youhong ,WANG Qimeng ,YUE Xuefeng,et al. Analysis on Security Performance of themthBest-user Scheduling in Wireless Communication Network [J]. Radio Communications Technology,2017,43(5): 06-10. ]

TP391.4

A

1003-3114(2017)05-06-5