基于能量采集的友好干扰机辅助下多中继系统安全传输方案

张广大, 任清华, 樊志凯

(1. 空军工程大学信息与导航学院, 陕西 西安 710077;2. 中国电子科技集团公司航天信息应用技术重点实验室, 河北 石家庄 050081)

0 引 言

物联网技术作为新一代信息技术的重要组成,已被广泛应用于人们的生产生活中。通过互联海量的设备,在第5代无线通信技术的支撑下,物联网为用户提供了各种便捷、高效的服务,满足了用户对美好生活的多样化、多层次需求。然而,由于无线通信网络自身的广播特性和网络节点分布的随机性,因此,在无线通信网络中,信息既可被授权用户访问,也可以被非法用户访问,故更容易遭受到窃听者的攻击,造成信息的泄露[1-2]。为了强化无线通信网络的安全性和对抗窃听攻击能力,实现对隐私的保护,物理层安全技术应运而生。作为一种无密钥的安全技术,其为解决无线网络中的信息安全问题提供了新的思路和方法。它通过利用无线信道中各种传输特性,如:噪声信号、载波频率偏移和信道状态信息(channel state information, CSI)等,通过最大化合法信道与窃听信道之间的速率差异,提升通信网络的保密性能。同时,在当前迅速增长的计算能力对加密技术形成严重挑战的背景下,物理层安全研究领域近年来备受关注[3]。

协同通信作为物理层安全技术的重要组成部分,既可以通过协作中继方案以提高合法信道容量,也可以利用协作干扰方案降低窃听信道容量,来增强系统的保密性[4-5]。中继选择(relay selection, RS)作为协作中继方案的重要策略之一,恰当地选择中继节点,能够在完成信息传输的同时,进一步强化系统的保密性能[6-8]。文献[6]将RS转换为预测和决策问题,并针对不同场景提出了两种基于Q学习的RS算法。结果表明,所提算法可以实现最佳保密性能并节省收敛时间。文献[7]研究了多窃听者下非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)网络的物理层安全性能,提出了一种新型的、基于两阶段的RS安全方案,以最大化不同接收用户处的保密容量。文献[8]分析了Nakagami-m衰落下两跳中继网络的保密性能。首先,基于最大化保密容量准则选择最佳中继;其次,推导出保密中断概率的闭合表达式;最后,讨论了关键参数对系统保密性能的影响。协作干扰作为另一种有效的物理层安全技术,利用友好干扰机将人工噪声引入窃听信道,以达到削弱窃听信道质量的目的。协作干扰主要包含两种形式,一种是利用内部友好节点发送干扰信号。如源节点[9]、目的节点[10]、中继节点[11]等。另一种是借助外部的友好干扰机对窃听节点的攻击进行干扰[12-14]。文献[12]研究了由一个源节点、一个目的节点、一个窃听节点和一个多天线协作干扰机构成的保密通信,在非完美CSI下推导出了多种保密性能指标的闭合表达式。文献[13]研究了由一个基站、多个用户和一个窃听者组成的NOMA系统中的上行链路的保密性能。根据不同可用程度的CSI,提出了两种可供友好干扰机选择的物理层安全传输方案。文献[14]分析了存在两种攻击模式的窃听者的通信系统的保密性能,在考虑完美和非完美CSI情况下,提出了一种利用多天线友好干扰机的新型迫零波束成形安全传输方案。

由于无线通信信道具有天然开放性的特点,因此,传输环境中各种噪声和干扰对通信系统均可能造成不同程度的影响。而由频分复用技术产生的大量同信道干扰(co-channel interference, CCI)作为干扰信号的一种重要组成,对网络中合法信号的正常传输和接收已造成十分严重的干扰,进而引起通信系统性能的下降[15]。随着无线通信系统面临的通信场景日益复杂,CCI问题已经成为无线通信网络急待解决的关键问题和研究重点之一[16]。当前,已有学者将CCI引入物理层安全中展开分析和讨论[17-20]。文献[17]研究了在CCI下、在基站上采用发射天线选择方案,并同时在合法用户上采用基于阈值的机会调度方案下的多用户系统的保密性能。文献[18]考虑了由单窃听节点和多用户节点组成的通信模型在CCI影响下系统的安全性和可靠性,并提出联合用户和干扰机选择的安全传输方案,在最佳功率分配后,可以有效降低中断概率和截获概率之和。文献[19]分析了多用户场景下,蜂窝下行链路系统存在CCI时的保密性能,并依据CSI的可用程度,给出了两种多用户调度方案。结果表明,所提方案能够有效降低CCI的影响。文献[20]研究了在Nakagami-m衰落和同信道干扰下,多天线窃听者对单输入多输出(single input multiple output, SIMO)系统保密性能的影响,推导出精确保密中断概率的闭合表达式。特别地,针对多中继场景,文献[21]研究了CCI下基于放大转发(amplify-and-forward, AF)模式的多中继网络保密性能的影响。虽然上述文献考虑了CCI对不同通信系统保密性能的影响,但它们大都局限于通过多天线技术或者资源分配方案提升系统的保密性能,而针对多中继系统的研究较少。当前文献着眼于通过合理的资源调度实现增强系统保密性能的目标,而如何解决能量资源的约束问题,也是如今研究人员重点研究的课题之一。

本文的主要贡献是为解决存在多个CCI和噪声的情况下的多中继系统合法信号的保密传输问题,提出了一种利用RS和友好干扰机协作干扰的混合协作安全传输方案。基于自由空间损耗以及小尺度衰落相结合的传播模型,在考虑中继节点、合法用户、窃听者均受到CCI下,首先,对于部分CSI已知的不同条件下,得到随机RS(random RS, RRS)和最佳RS(optimal RS, ORS)两种RS策略。同时,利用具有能量采集能力的友好干扰机,从其接收信号中提取能量,用于在信息传输的第二时隙进行协作干扰。其次,推导出系统的保密中断概率闭合表达式。最后,数值仿真验证了理论推导的正确性，并给出了典型参数对系统保密性能的影响。

1 系统和信道模型

1.1 系统模型

本文基于文献[21]中的模型展开推广,研究CCI下基于多中继通信系统的保密传输方案。如图1所示,系统由一个信号发射机S、M个中继节点R1,R2,…,RM、一个具有能量采集功能的友好干扰机J、一个合法接收用户(legitimate user, LU)和一个潜在的信号窃听者(eavesdropper, EAV)构成。其中,中继节点均只配置单天线。另外,中继节点的协作方式为解码转发(decade-and-forward, DF),所有节点均工作在半双工模式。与此同时,系统中的节点均能够收到来自同信道信号源以相应功率PN发射的N个干扰信号I1,I2,…,IN。假设系统受到严重衰落和障碍物的影响,可以认为发射机和合法用户间无法建立直连链路S→U来完成通信,必须通过中继节点辅助传输保密信号。与文献[22]中的假设类似,考虑到网络中CSI的反馈通道的传输能力有限和存在反馈延迟等原因,假设发射机S仅能够获取第一跳的CSI。

图1 多中继系统传输模型Fig.1 Multi-relay system transmission model

1.2 信号模型

从发射机发射信号到合法用户接收的整个通信过程分为两个时隙。

(1) 在第一时隙中,发射机S向中继节点发射保密信号xS。在CCI下,此时,任意中继节点Ri能够接收到的信号表示为

(1)

式中:LSRi表示发射机S和第i个中继节点Ri之间的距离;hSRi表示发射机S和第i个中继节点Ri之间的平均信道增益;LInRi表示第n个同信道干扰和第i个中继节点Ri之间的距离;hInRi表示第n个同信道干扰和第i个中继节点Ri之间的平均信道增益。

同时,友好干扰机和窃听者能够接收到的信号为

(2)

(3)

式中:i∈{1,2,…,M};xIn表示干扰源发送的干扰信号;PS表示发射机的信号发射功率。

根据式(1),可知中继节点Ri接收信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR)为

(4)

由式(3)可知,窃听者处的接收SINR为

(5)

在该时隙中,基于射频信号能量采集,友好干扰机能够采集到的能量为

(6)

(7)

(2) 在第二时隙中,在选择出最佳中继节点后,由中继节点对保密信号进行重新编码,将保密信号传输至合法接收用户。于是,合法接收用户U和窃听节点E处接收信号yRiU和yRiE可分别表示为

(8)

(9)

设人工噪声信号被合法用户先验已知[24],经过干扰自消除后能够被完全消除,故合法用户将不受其影响。因此,在合法用户和窃听者处的接收信号对应的SINR可表示为

(10)

(11)

2 RS策略

本文考虑在多中继场景中存在潜在的信息安全问题,制定恰当的RS策略，以增强系统的保密性能。基于发射机与合法用户间不存在直连链路这一般假设,发射机获取全局CSI将十分困难,故本文依据系统的部分CSI。只考虑第一跳中CSI的可用程度,提出两种RS方案,分别是基于无CSI和基于部分CSI的随机RS策略和最佳RS策略。

2.1 随机RS策略

在发射机缺乏任何CSI的情况下,通常采用随机RS方案[25],在给出的符合条件的中继集合中随机选择中继节点Ri,将保密信号转发至合法用户处。具体选择准则为

(12)

式中:rand(·)表示随机函数。

2.2 最佳RS策略

在发射机能够掌握第一跳中的全部CSI的情况下,即当发射机已知链路S→R和链路S→E的CSI时,此时将能够实现该阶段最大保密容量的中继节点视为最佳中继节点。特别地,本文考虑到最佳节点的可用性,设定具体选择准则为

(13)

3 保密性能分析

保密中断概率作为物理层安全中衡量系统性能的重要指标,是指瞬时保密容量CS小于某一预设目标保密传输速率RS的概率。本节给出基于两种RS方案的保密中断概率表达式,用作系统保密性能指标。具体定义为

Pout(RS)=Pr(CS≤RS)

(14)

式中:CS表示系统的保密容量;RS为预先给定的目标保密速率。

由于在两跳协作中继网络中,系统合法信号传输从源节点到中继节点，再到目的节点,若任意一跳产生中断,通信过程将失败。结合系统模型可知,窃听者E能够窃听在SRi和RiU传输期间的信息。因此,基于DF模式的两跳中继系统保密容量可表示为

CS=min(CS1,CS2)

(15)

式中:CS1和CS2分别表示信道S→R和R→U中能够达到的保密容量。具体为

(16)

(17)

式中:[x]+=max{x,0},CSRi和CRiU表示不同时隙下合法信道的信道容量;CSE和CRiE表示不同时隙下窃听信道的信道容量。

将式(15)代入式(14),有:

(18)

由式(18)可知,系统保密中断概率由P1和P2构成,下面计算不同传输阶段下的保密中断概率。

3.1 发射机至中继节点信道分析

3.1.1 随机RS策略

根据式(16),结合随机RS准则可知P1的表达式为

P1=Pr(CS1

Pr(γSRi<δ(1+γSE)-1)=

(19)

式中:FγS Ri(·)和fγS E(·)分别表示累积分布函数(cumulative distribution function, CDF)和概率密度函数(probability density function, PDF),且δ=22RS,证明见命题1。

命题 1由于同信道干扰信号所有信道服从独立同分布,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可计算如下:

FγS Ri(x)=Pr(γSRi

(23)

(24)

联合式(23)和式(24),并结合指数分布的CDF和PDF,有FA1(x+xw)=1-exp(-λA1(x+xw))。经过有限步骤计算后,CDFFγS Ri(x)可表示为

(25)

(26)

根据式(19),将式(25)和式(26)代入后,P1的表达式为

(27)

式中:

(28)

(29)

(30)

详细计算过程见命题2。

证毕

命题 2为了简单表示,将单积分形式表示为参数表达式,下面对式(29)、式(30)进行求解。

证明(1) 当β1≠β2时,此时,被积函数I1.1和I2.1可被重写为

(31)

(32)

式中:

(35)

根据积分文献[26],式(29)、式(30)积分求解后的解析表达式见式(46)和式(47)。

(2) 当β1=β2=β,此时,可将式(29)、式(30)重写为

(36)

(37)

利用公式积分求解后得到

I1(β1,β2,β3)=I1(β,β,β3)=Nexp(ββ3)×

(38)

I2(β1,β2,β3)=I2(β,β,β3)=λA2exp(ββ3)×

(39)

(3) 特别地,当β3=0时,有

a.当β1≠β2,代入求解积分后有:

(40)

b.当β1=β2=β,代入求解积分后有:

(41)

证毕

3.1.2 最佳RS策略

由最佳RS准则,可得对应的保密中断概率为

(42)

由式(13)可知,最佳RS策略中合法信道的CDF可表示为

(43)

由命题1中式(23)～式(26),中继节点处接收信号的SINR对应的CDF为

(44)

由式(42)和式(44)代入后解得最佳中继节点对应的保密中断概率为

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

(45)

(46)

(47)

3.2 中继节点至合法用户信道分析

由于两跳协作中继网络中,第一跳信道与第二跳信道具有独立性,因此,将式(17)代入式(18)后,可得P2表达式为

Pr(γRiU<22RS(1+γRiE)-1)=

Pr(X<δ(1+Y)-1)=

(48)

式(48)中,令X=γRiU,Y=γRiE。根据式(10)和式(11),结合命题1中部分证明过程,则X和Y对应的CDF可表示为

(49)

命题 3第二时隙中,窃听节点接收信号的SINR对应的CDF为

(50)

证明由式(11)有

(51)

(52)

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

(53)

根据K的表达式可知CDFFK(k)为

(54)

将式(54)代入式(53),由文献[26]中的公式可得

(55)

K1(x)为第二类修正贝塞尔函数。

由式(24)可知,PDFfV(v)为

(56)

联合式(55)和式(56),代入式(52),可得式(50)。其中,E1(x)为指数积分函数。

证毕

可以看到,由于被积函数形式十分复杂,因此,根据CDF的性质,同时结合文献[21],进行相应简化后有:

(57)

(58)

(59)

由分部积分法,可将式(48)重写为

(60)

下面分别计算P2.1和P2.2:

(61)

(62)

求解积分后,有:

P2.1=D2(N-1)×

(63)

P2.2=D1N×

(64)

式中:Γ(x)表示伽马函数,对应参数为

结合式(18)、式(27)、式(63)和式(64),可得保密中断概率的闭合表达式。

4 仿真结果与讨论

本节对基于能量采集的友好干扰机辅助下的多中继系统的性能进行数值分析和仿真验证,从保密中断概率角度分析CCI下所提安全传输方案下系统的保密性能。为了验证所提方案的有效性,本文设置并统一在CCI环境下的有关仿真参数后,与以下文献中的安全方案进行仿真对比:① 方案I:基于能量采集的多RS的安全传输方案[27],在控制窃听节点数目的基础上,用于对比协作干扰方案对系统性能的影响。② 方案II:基于联合中继和友好干扰机选择的安全传输方案[28],在控制中间节点数目的基础上,用于对比RS方案对系统性能的影响。

4.1 仿真参数设置

本节仿真采用蒙特卡罗方法,所有的仿真结果均是由106次仿真后取平均值得到的。具体的仿真参数设置如表1所示,后文中如无特殊说明,仿真中均使用表1中所给出的参数值。

表1 系统的主要参数设置

4.2 结果分析与讨论

图2展示了不同方案下系统保密中断概率随发射机发射信噪比的变化情况。从图2中可以看到,本文所提方案在高信噪比的区域,系统保密性能表现更好,能够有效对抗CCI的影响,仿真值与解析值结果吻合情况较好,这符合文献中进行简化的假设条件,同时证明了系统保密中断概率闭合表达式推导的准确性。如图2所示,3种方案最终都能收敛到一个门限值,这是因为随着发射机信噪比的增大,合法信号在合法用户和窃听者处的SINR都同时增大。因此,保密中断概率将逐渐收敛。另外,仿真结果表明,在给定相同发射信噪比的约束下,在同一方案中,当保密速率RS由0.2 bit/s/Hz增加到0.4 bit/s/Hz时,尽管设定更高的保密速率RS能够获得更好的系统性能,但保密中断概率的增加意味着发射机与合法用户之间的保密传输更有可能被窃听者成功拦截。

图2 不同方案下系统保密中断概率随发射信噪比变化图Fig.2 System secrecy outage probability achieved by different scheme versus signal to noise ratio of transmission

图3比较了本文所提方案中RRS和ORS两种RS策略的保密中断性能随发射信噪比的变化曲线图。由图3可以看到,当目标保密速率RS为0.4 bit/s/Hz时,不同RS策略对应的保密中断概率均呈现单调递减趋势,进而收敛。同时,随着发射信噪比的增加,最佳中继选择策略相较于随机中继策略具有明显的优势。这是因为ORS策略考虑了系统的保密性能,根据CSI做出有利选择,表明CSI对于无线通信传输性能的提升起到了关键作用。另外,对于相同的RS策略而言,干扰源数目的增加对RS策略起到负面的作用,当干扰源数目N由8减少到5时,系统保密中断概率在低信噪比时有明显降低,系统保密性能变得更好,而当发射信噪比逐渐增加后,干扰源数目对保密性能的提升逐渐减弱。这是由于,对于足够大的高信噪比而言,CCI在各节点处的接收信干噪比中占比将可忽略不计,所以其对系统的影响随之减小。

图4给出了系统保密中断概率随PS因子ρ的变化曲线图。

图3 两种RS策略下的系统保密性能比较Fig.3 Comparison of system secrecy performance under two RS strategies

图4 系统保密中断概率随PS因子的变化图Fig.4 System secrecy outage probability achieved by proposed scheme versus PS factor

如图4所示,可以得到:① 随着PS因子的增加,系统保密中断概率先减小而后随之增大,系统的保密概率在PS因子从0.1增加到0.5左右后增强,这主要是因为,当PS因子在该范围内增大时,友好干扰机中的信息传输(information transmission, IT)模块得到了更多的能量,增加了人工噪声的干扰信号发射功率,进一步降低了窃听者处接收的SINR。因此,保密中断概率不断下降。此外,当PS因子ρ高于最优值后,保密中断概率逐渐上升,原因在于友好干扰机中用于信号接收任务的能量降低,导致接收到的信号强度对友好干扰机信号传输造成负面影响。② 当干扰噪声比(interference noise to ratio, INR)为2 dB或4 dB时,更高的能量转化效率能够提升友好干扰机采集的能量,增强系统保密性能。而当η相同时,干扰信噪比的增加,对系统保密性能提升显著,这表明在一定情况下,增加干扰信噪比能够提升保密性能。③ 对比不同的INR和η可以看到,尽管干扰信噪比减小,使得合法用户和窃听者的接收信号SINR均增大,但当η增大且ρ设置合理时,系统保密性能仍然能够得到提升。这说明,友好干扰机的设置对系统保密性能具有十分重要的作用,同时可以看到,不同的参数设置为增强系统保密性能提供了多样的思路和方案。

图5研究了系统保密中断概率随干扰源数目N的变化曲线图。

图5 系统保密中断概率随干扰源数目N的变化图Fig.5 System secrecy outage probability achieved by proposed scheme versus number of interference N

如图5所示,当干扰源数目不断增加时,系统保密中断概率将随之不断减小。这是因为,CCI对窃听信道的影响要更为显著,N的增加会提供更多能量而用于发送人工噪声。当INR相同时,中继节点数目的增加也能够增强系统的保密性能,这是因为,在本文方案中,增加中继节点为RS策略提供了更多的备选节点,出现保密性更好的节点概率更大,故系统中断概率进一步下降。对比不同曲线可以看到,当N=10,INR=2 dB或INR=4 dB时,若中继数目M从4增加至8,系统保密中断概率分别降低约0.106和0.034。而当N=10,M=4或M=8时,若INR从2 dB增加至4 dB,系统保密中断概率分别降低约0.086和0.016。这表明在一定条件下,RS策略相较于协作干扰对提升系统的保密性能而言更为重要。因此,本文所提方案具有有效性。

5 结 论

多中继协作技术作为第5代移动通信技术的重要组成部分,如何实现多中继系统中信息的安全、可靠传输在当前具有十分重要的意义。本文针对多中继传输系统在非理想信道条件下的信息安全问题和节点资源受限困境,提出了一种将中继选择与协作干扰相结合的混合协作物理层安全传输方案,通过基于能量采集的友好干扰机,在进行协作干扰的同时，节约了资源,并且提升了能量的利用效率。首先,在信息传输的第一阶段,当部分CSI已知情况时,给出了两种RS策略。在信息传输的第二阶段,友好干扰机利用采集的能量向潜在的窃听者发送人工噪声信号,对抗窃听者的被动攻击,达到保密传输的目的;接着,在考虑CCI的传输环境下,推导出系统保密中断概率闭合表达式;最后,利用蒙特卡罗仿真方法分析了有关参数对系统保密性能的影响,得到的相关结论具有一定的实际意义。下一步,将在考虑CCI的基础上,进一步研究非完美CSI对多中继系统的保密性能的影响。