星地融合网络中的安全协作传输策略与性能分析

郭克锋 张邦宁 安 康 黄育侦

1．航天工程大学航天信息学院 北京 101416 2.陆军工程大学通信工程学院 江苏南京 210007 3.国防科技大学第六十三研究所 江苏南京 210007 4.军事科学院创新研究院 北京 100039

卫星通信系统由于其广域的覆盖性和高频谱效率而受到广泛关注[1-7],被认为是应急救援、地震、火灾和应急通信中地面无法到达通信区域的主要通信手段[8-11].但是,卫星通信系统中存在着多种多样的安全问题,例如窃听,攻击和其他方面的问题[12-13].

物理层安全技术的理论建立在经典信息论基础之上,香农在1949年采用密钥机制率先对保密系统中的通信理论进行研究[14].尽管该方案安全性能非常优异,然而密钥的生成和分发复杂度极高,难以实现.随后怀纳在1975年将保密传输进一步推广到含噪的无线通信系统中,提出了经典的离散无记忆窃听信道模型[15].和传统的安全编码技术不同,怀纳的物理层安全技术利用主用户和窃听用户信道的差异性,探究系统的安全性能,近年来在学术领域已经取得了一定数量的成果[16-20].由于卫星宽广的覆盖范围和广播特性,卫星通信中的安全问题已经成为了一个严重关切的方面.文献[21]首先指出了卫星通信系统的安全问题.文献[22]研究了基于单用户和单窃听者情境下的卫星通信系统中的非零安全中断概率,安全中断概率和平均安全容量等问题.文献[23]给出了详细的系统平均安全容量的分析过程.文献[24]分析了理想信道下的多天线卫星通信系统的安全问题.

然而,上述文献中大多只考虑单用户和单窃听者.在现实的场景中,卫星通信系统的多用户和多窃听者是常见的一个场景[25-29].文献[26]给出了多主用户和单窃听用户的卫星通信系统的安全问题研究.文献[27-28]研究了多用户和单窃听用户下的卫星通信系统的选择问题.文献[29]研究了基于用户调度的卫星通信中安全问题.文献[30]研究了基于地面中继的卫星通信系统中的单用户和单窃听者场景的安全问题.文献[31]研究了基于单用户和多窃听者场景的系统安全中断概率问题.然而,很少有研究卫星通信系统中的多用户和多窃听者问题.

未来卫星通信系统需要以合理的成本和较好的服务质量向大量用户提供高信息传输速率.星地融合网络的出现正是为了解决卫星通信系统的盲点、提高服务质量和传输速率等问题.目前,美国、欧洲、日本和韩国都已经构建适用于不同地区的星地融合网络,这些网络的体系架构和网络场景都不尽相同.国际电信联盟在2009年定义了星地融合网络的概念,此时星地融合网络通过采用地面辅助组件（ancillary terrestrial component,ATC）（complementary ground component,欧洲称为CGC）进一步提供了互操作性,实现了卫星移动网络和地面移动网络真正的融合.国外对星地融合网络研究起步较早,其中,又以美国、欧洲、日本和韩国发展最为成熟.最具代表性的是欧洲电信标准化协会.美国风险公司最早在2001年以“9.11 事件”为切入点,提出发展基于ATC 技术的卫星移动通信系统的计划,随后地网星公司、光平方公司等多个卫星移动运营商开始构建基于ATC 技术的星地融合网络.在欧洲,2008年3月,欧洲电信标准协会发布了DVB-SH（digital video broadcasting,satellites services to handhelds）标准,目的是提供一种工作在低于3 GHz 频段,适用为手持设备提供卫星服务的高效传输系统.欧洲电信标准化协会于2013年发布了基于CGC 技术的S-MIM（s-band mobile interactive multimedia）系统标准.在日本,为了保障灾害应急通信和国家安全,研究人员基于日本的国土区域和人口分布特点提出了被称为STICS（satellite terrestrial integrated mobile communication system）的星地融合网络[32].2012年,中国也恰逢其时提出了基于地面3GPP LTE（long term evolution）-Advanced FDD 标准的星地融合网络.在通信网络快速发展的今天,星地融合网络已经成为第6 代移动通信系统重要组成部分,受到广泛关注和研究,特别是物理层安全研究方面[33].在星地融合网络中,物理层安全已开展一些研究,文献[34]说明了卫星中的物理层安全问题可通过分离物理层技术实现.文献[35]通过波束优化实现卫星多波束中的安全问题.文献[24,36]研究了星地融合网络中的安全中断概率和平均安全容量等问题.文献[28]研究了星地融合网络中多地面中继情况下的安全问题.然而上述文献只考虑了单个主用户和单个窃听者的场景.在已有文献[37-38]中,星地融合网络中的多用户场景是一个普遍的假设.同时由于卫星通信的广播特性,多窃听者场景是一个实际的通信场景.

该文在怀纳物理层安全技术的基础上,研究星地融合网络中的协作安全传输问题,考虑星地融合安全网络中存在多用户、多窃听者的场景.

主要贡献可总结为：

1）提出了一般且实际的星地融合网络模型,其包含了多个地面中继、多个合法用户和多个窃听者,考虑到卫星和主用户、窃听者之间具有强衰落,因此,在文中不考虑卫星和地面主用户、窃听者之间的直传链路.

2）提出了一种联合中继选择和用户调度策略,在主用户处应用机会调度策略,并且在此基础上提出了相应的中继选择策略,并研究了系统的安全性能.

3）考虑了协作窃听场景,得到了该场景下的安全中断概率和平均安全容量的准确表达式.为了更好地分析高信噪比下的系统性能,推导得到了安全中断概率和平均安全容量的渐进表达式.通过渐进表达式,可以更好地分析高信噪比下的系统性能.此理论分析可为后续研究提供理论基础并指导后续工程实践.

1 系统模型

如图1所示,本文研究星地融合网络安全协作传输问题,此网络中包含一个卫星源端S（Alice）、M 个合法用户（Bobs）和N 个中继R.由于卫星覆盖的广域性,在Bobs 的周围有L 个窃听者E（Eve）窃听信号.假设网络中所有节点都配置单天线.源端S 和用户Bob 之间只能通过中继端R 进行通信,直传链路由于雨、雾霾或者其他严重的衰落导致不能连通.

图1 系统模型Fig.1 System model

整个通信过程需要占据两个时隙.在第1 个时隙,源端S 将信号s（t）,传输到中继端R 处,因此,在第ξ 个中继端处得到的信号为

在主用户处,采用机会调度策略[18],机会调度策略是选择信噪比最大的用户进行通信,可得最终第ξ中继端R 到Bob 处的信噪比为

由于中继端R 采用译码转发协议,第ξ 条链路中源端S 到Bob 处的信噪比可最终写为

此时考虑协作窃听场景,窃听链路的信噪比可表示为

根据安全容量的定义,其表示为主链路的信道容量和窃听链路信道容量的差异,借助于式（8）和式（9）,第ξ 条链路的安全容量可表示为

为了获得最佳的系统性能,机会中继选择策略应用到系统中,因此,最终的安全容量可表示为

详细的中继选择和调度步骤将在后续给出.

2 联合中继和用户调度策略

下面介绍所提出的联合中继和用户调度策略：

2）应用译码转发协议,计算得到第ξ 条链路的信噪比,并在此基础上计算第ξ 个链路的安全容量.

3）在1,…,N 条链路中选择具有安全容量最大的链路进行传输.

联合中继和用户调度策略如图2所示.

图2 联合中继和用户调度策略Fig.2 Joint relay and user scheduling scheme

3 性能分析

在得到系统的具体性能表达式前,首先给出卫星链路和地面链路信道的概率密度函数.

3.1 预备知识

3.1.1 地面链路

3.1.2 卫星链路

在卫星链路中,多波束常用来提高系统频谱效率,其在卫星上的作用不可忽视.对于地面同步卫星,多波束通过阵列反射器产生,这比直接辐射阵列更有效.在这种情况下,每个波束的辐射模式是固定的,从而可显著地减小对卫星上处理能力的要求.应用时分多址（time division multiple access,TDMA）技术来保证在一个时隙内只有一个地面用户接入.

在地面基站和卫星的第k 个波束间的下行链路的信道衰落系数可表示为[3]

式中,Gmax表示最大的波束增益,,J1和J3表示第1 阶和第3 阶贝塞尔函数[39].为了获得最佳系统性能,一般令,从而有,从而有,其中,.

3.1.3 主用户链路的累积分布函数

由于中继R 处应用译码转发协议,可得主用户链路的累积分布函数为

式中,中继R 到目的端Bob 处采用最佳机会中继选择策略,因此,可得和的最终表达式分别为

3.2 安全中断概率

根据安全中断概率定义,其可表示为

将式（14）和式（26）同时代入到式（29）中,经过一定的数学推导可得式（28）.

证毕.

将式（28）代入到式（27）中可得系统的安全中断概率.

3.3 平均安全容量

平均安全容量是另外一个评价系统安全性能的重要指标,从文献[29]可知,其可定义为

式（32）中,根据文献[39]可得

将式（15）和式（26）代入到式（34）中,然后借助于文献[39]中式（3.353.7）,经过一定程度的化简,可得式（32）.证明过程省略了大部分推导过程,只保留关键步骤.

证毕.

将式（32）代入到式（30）中,系统的平均安全容量可得.

4 高信噪比下的渐进性能分析

为了更好地分析不同参数在高信噪比下对系统性能的影响,给出高信噪比下的系统安全中断概率和平均安全容量的渐进表达式.

定理3：系统的渐进分析结果如下.

4.1 安全中断概率中

4.2 平均安全容量中

式（36）中,

式（37）中,φ（x）表示欧拉PSI 函数（Euler PSI function）[39].

证明：见附录A.

5 仿真分析

给出系统的蒙特卡洛仿真以证明理论分析的正确性,并通过仿真,分析不同系统参数与系统性能的关系.为了便于分析,假设.系统参数和信道参数如表1和表2所示.仿真软件为MATLAB,图3和图4的蒙特卡洛仿真次数为108,图5的蒙特卡洛仿真次数为1011,图6～图8的蒙特卡洛仿真次数为106.

表1 仿真参数设定Table 1 Simulation parameters

表2 信道参数设定Table 2 Channel parameters

5.1 安全中断概率

图3给出了不同衰落情况下的系统安全中断概率,仿真条件为：L=3,M=3,N=1,.由图3可知,系统仿真值与系统理论值十分吻合,特别是在高信噪比时,系统渐进解与仿真值吻合更好.此外,系统安全中断概率随信道衰落加剧而变大,随中断门限增加而变大.同时可知,系统的分集增益在N 固定时不变.

图3 不同衰落情况下的安全中断概率Fig.3 Outage probability of different shadowing cases

图4给出了不同N 下的系统安全中断概率,仿真条件为：L=M=3,信道衰落为ILS,.从图4可知,系统安全中断概率随着N 值的增加而减小,N 值大小严重影响系统分集增益.

图4 不同N 下的安全中断概率Fig.4 Outage probability of different N

图5给出了不同M 下的系统安全中断概率,仿真条件为：L=1,N=2,,信道衰落为ILS.从图5可知,随着M 值变大系统安全中断概率变小,这证明M 取值对安全中断概率有重要影响.同时可知,当M 值大于2 时,无论M 值如何变化,系统的高信噪比下的分集增益变化不大,这证明M 值在大于等于2 时,对系统分集增益的影响较小.同时根据文献[29]可得,M=1 对应随机用户调度方案（即任意选取一个用户进行通信）,由此可看出此文所提出的联合中继和用户调度方案比随机用户调度方案安全中断概率要小.

图5 不同M 下的安全中断概率Fig.5 Outage probability of different M

5.2 平均安全容量

图6给出了不同衰落情况下的系统平均安全容量,仿真条件为：L=M=3,N=1.如图6所示,系统仿真值与理论值十分吻合,从而证明了系统理论分析的正确性,同时高信噪比下的渐进解与仿真值完全吻合,证明了所得渐进解的正确性.从图6还可得,系统的平均安全容量随窃听功率增加而降低,随信道衰落加剧而变小.

图6 不同衰落情况下的平均安全容量Fig.6 Average secrecy capacity of different shadowing cases

图7给出了不同M,L 下的系统平均安全容量,仿真条件为：N=1,,信道衰落为ILS.从图7可知,系统平均安全容量随M 值增加而变大,随L 值的增加而减小.同时根据文献[29]可得,M=1 对应随机用户调度方案（即任意选取一个用户进行通信）,由此可以看出,所提出的联合中继和用户调度方案比随机用户调度方案获得的安全容量要大.

图7 不同M,L 下的平均安全容量Fig.7 Average secrecy capacity of different M and L

图8给出了N=3 时系统的平均安全容量,仿真条件为：M=3,L=3.从图8可知,对比N=1 时,系统的平均安全容量在N=3 时有显著地提升.

图8 N=3 时不同信道衰落下的平均安全容量Fig.8 Average secrecy capacity of different channel shadowing with N=3

6 结论

本文研究了存在多中继、多用户和多窃听者时,星地融合网络中的物理层安全性能.首先提出了一种联合中继和用户调度策略,以达到最佳的系统安全性能；其次,考虑了协作窃听场景,并在此该窃听场景的基础上,分析了系统安全中断概率与平均安全容量；再次,分析了系统高信噪比下的安全性能；最后通过仿真分析,发现信道质量变好、中继数目增加、合法用户数目增加和窃听者数目减小,会显著增强系统的安全性能.

附录A

定理3 的证明

将式（A1）和式（A2）代入到式（23）中,并忽略高阶项,可得的累积分布函数为

得到式（A3）后,结合定理1 可得式（35）.

接下来证明高信噪比下的系统平均安全容量的渐进解,将式（15）改写成.其中

由此平均安全容量可改写为

式（A4）中

将式（21）～式（25）代入到式（A8）中,可得的表达式为

将式（A4）代入到式（A11）中,可得协作窃听场景下的w2为

将式（A10）与式（A12）分别代入到式（A5）中,可得高信噪比下协作窃听场景的平均安全容量的渐进解.

证毕.