馮友宏，曹喜珠，王韋剛，丁緒星，王再見，王啟蒙

(1.安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖241000；2.南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

多用戶調(diào)度在中繼網(wǎng)路中的安全性能分析

馮友宏1，曹喜珠1，王韋剛2，丁緒星1，王再見1，王啟蒙1

(1.安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖241000；
2.南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

無線通信系統(tǒng)中，多用戶調(diào)度能夠有效提高系統(tǒng)頻譜的利用效率和吞吐量，從無線通信的物理層安全角度出發(fā)，分析了多用戶調(diào)度在無線通信網(wǎng)絡中安全性能，考慮了一種最壞通信場景，即竊聽者不但從普通用戶而且也從中繼節(jié)點來竊聽被傳送的信息，在此基礎上提出了一種有效的用戶調(diào)度算法并得到理論表達式，最后通過仿真實驗來分析安全中斷概率和信息傳輸速度以及傳輸能量的關系，仿真結果表明：該理論表達式的正確性即理論表達式與蒙特卡羅仿真一致；改進的調(diào)度方法相對傳統(tǒng)的多用戶輪詢調(diào)度方式有顯著的優(yōu)點，降低了通信系統(tǒng)的安全中斷概率，有效提高了系統(tǒng)的通信安全。

物理層安全；安全的中斷概率；多用戶調(diào)度

0 引言

安全是無線通信網(wǎng)絡的關鍵問題，傳統(tǒng)的通過上層加密算法雖然能夠在一定程度上保證通信的安全，但增加了計算和通信開銷，并且由于密鑰的管理和分配增加了系統(tǒng)的復雜性；另外由于計算機處理能力的不斷加強，傳統(tǒng)的密鑰加密策略并不是無懈可擊；協(xié)作通信技術的引入，使得無線通信環(huán)境更加復雜，信息更易泄露，因此僅僅依靠上層的加密算法面對隨處可在的惡意竊聽并非萬無一失。另一方面，無線通信系統(tǒng)的物理層傳輸技術正在經(jīng)歷快速而持續(xù)的發(fā)展。各種不同的無線應用越來越普及[1-2]，相應的物理層安全技術快速發(fā)展并得到廣泛關注[3-4]。除了香農(nóng)有關信息論安全性的奠基性工作，物理層安全方面較早的進展是Wyner出的，Wyner在上世紀70年代提出了wiretap 信道模型，并給出了香農(nóng)安全意義下的信息安全傳輸容量。最早Wyner提供的wiretap信道需要主信道(合法用戶之間)比竊聽信道有容量優(yōu)勢，但近幾年理論及技術的發(fā)展突破了這個要求。本文在基于物理層安全研究的基礎上，結合單中繼系統(tǒng)中的多用戶調(diào)度方式進行研究，提出新的多用戶調(diào)度方式，仿真結果表明，提出的用戶調(diào)度方式相對于傳統(tǒng)的輪詢調(diào)度方式提高了系統(tǒng)的安全性。

1 相關研究

Wyner在1975年定義了搭線竊聽信道模型(Wiretap Channel)[4]。證明了信道中存在竊聽者的情況下，當發(fā)送節(jié)點到目的節(jié)點的信道(合法用戶信道)性能優(yōu)于發(fā)送節(jié)點到竊聽節(jié)點的信道(竊聽信道)性能時，發(fā)送節(jié)點可以安全地與目的節(jié)點進行通信。文獻[5]中也提到如果源到目的相對源到竊聽擁有較好的信道條件，那么就可以實現(xiàn)安全的信息傳輸。1993年在文獻[6]中Maurer 證明了即使在合法用戶信道比竊聽者信道差的情況下，合法用戶仍然可能在一個不安全的認證信道上實現(xiàn)通信雙方的密鑰共享，而不向竊聽者泄漏任何關于密鑰的信息。這些研究成果均以信息理論為出發(fā)點，奠定了物理層安全理論的基礎。物理層安全的核心就在于利用無線信道的物理層特性(比如衰落和噪聲等)，確保目的節(jié)點獲得的保密信息的信息熵大于竊聽者得到的保密信息的信息熵，來實現(xiàn)安全傳輸，從而為信息安全保障提供了一種全新的思路。

基于物理層安全的應用研究核心是構建有效的信息傳輸信道，在滿足一定的條件下(如：能量的約束方式、基站配置天線的情況等)使得在目的節(jié)點和竊聽節(jié)點之間產(chǎn)生明顯的信號質(zhì)量差異。傳統(tǒng)采用的安全預編碼技術和波束成形技術是利用信道信息來調(diào)整發(fā)送信號方向。文獻[7-8]針對不同的安全性能指標(例如，安全速率、安全中斷概率等)、不同的網(wǎng)絡拓撲[9](包括單/多源節(jié)點和單/多目的節(jié)點和單/多竊聽節(jié)點)，研究了安全預編碼和波束成形的設計方案，但這些研究大都是建立在已知精確的竊聽節(jié)點信道信息(CSI)或者目的節(jié)點信道信息的前提下的。實際中所獲得的信道信息往往不是精確的，尤其是竊聽信道的信息，這將導致傳統(tǒng)預編碼方案性能的惡化，針對這種情況，文獻[10-11]利用魯棒優(yōu)化理論進行了相關的分析。除了采用預編碼和波束成形技術來加強物理層安全外，同時考慮信道信息不完全了解的情景，文獻[11-12]提出利用人工噪聲和干擾信號來破壞竊聽節(jié)點接收，從而達到增強安全性的目的。人工噪聲和干擾的使用能有效干擾和惡化竊聽信道，特別適用于竊聽節(jié)點的信道狀態(tài)信息未知的情況，由于人工噪聲或者干擾信號的引入，一部分能量要被利用來產(chǎn)生人工噪聲或者干擾信號。為了減少過多的能量消耗，文獻[3]提出了多用戶調(diào)度的方法來提高在認知無線電場景中物理層的安全。但是到目前為止，在單中繼的多用戶通信場景中基于物理層安全研究得較少。

2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)結構如圖1所示，多用戶調(diào)度系統(tǒng)由1個基站、1個中繼和多個用戶構成，由于受體積和代價的限制，基站、中繼和用戶都是單天線，此通信模型通常應用在WSN信息采集系統(tǒng)中。本文在此考慮一種最壞情況下的通信場景，即竊聽者從用戶和中繼同時監(jiān)聽信息，另外假定除了竊聽用戶的信道信息外，知道所有合法信道的信道信息。

圖1 基于WSN的物理層安全普通節(jié)點調(diào)度

中繼節(jié)點和竊聽用戶在第1階段收到的信號分別表示如下：

(1)

這里做了這樣的假設，用戶距離較近，有kBR=kBiR，?i，同樣對于竊聽用戶也有：

(2)

式(2)中注意在此情況下，調(diào)度普通節(jié)點是基于與中繼節(jié)點的信道最大瞬時值來確定的，但是從竊聽用戶的角度看，是隨機的[13]。

在第2階段，也就是中繼節(jié)點接收到普通節(jié)點的信息后，這里假設中繼節(jié)點采用的是解碼轉發(fā)，因此有：

(3)

(4)

整個信道的容量，也即基站到被調(diào)度的普通節(jié)點的安全信道容量為:

(5)

(6)

CBR、CRU分別表示基站節(jié)點到中繼節(jié)點的信道容量和中繼節(jié)點到被調(diào)度的用戶節(jié)點的容量，為了方便分析調(diào)度的性能，假設系統(tǒng)工作在高SNR(信噪比)。得到如下的近似的表達式：

(7)

(8)

式(7)和式(8)的系數(shù)1/2表示中繼節(jié)點工作在半雙工模式下。將式(7)和式(8)代入到式(6)中，可得：

(9)

另一方面，因為竊聽用戶從中繼節(jié)點和普通節(jié)點接收信號，因此同樣信號接收2次，竊聽用戶的信道容量可得到：

(10)

將式(9)和式(10)帶入到式(5)可得到如下的公式：

(11)

3 安全的中斷概率分析

根據(jù)式(11)，安全的中斷概率表達式可寫為：

(12)

這里的RS表示安全信息速率，且有RS≥0。接下來進行安全中斷概率的推導，也就是進行式(12)的進一步計算。

(13)

其中的積分布函數(shù)(CDF)和概率密度函數(shù)(PDF)。經(jīng)過計算可以得出X1的累積分布函數(shù)：

(14)

X2的概率密度函數(shù)可表示為：

(15)

ΩRE≠ΩUE。

(16)

進一步將式(14)和式(15)帶入到式(13)可得具體的中斷概率表達式：

(17)

ΩRE≠ΩUE。

(18)

式中，

4 仿真及結果分析

本節(jié)借助MATLAB軟件進行仿真，為了驗證在不同情況下中斷概率分析結果的正確性，仿真結果與通過100 000次獨立的蒙特卡洛仿真進行比較。同時跟傳統(tǒng)的用戶調(diào)度方式，即輪詢調(diào)度方式進行比較。在此假設路徑損失因子ν=4，參考距離d0= 1 m (i.e.,dBU= 1)，載波頻率為fc = 2.4 GHz，B=10 MHz 以及N0=-174 dBn/Hz[13]。

4.1 中斷概率與安全的信息速度之間的關系

從圖2可以得到如下的結論：① 對于大信噪比的情況下，也就在這2種設置的參數(shù)(信噪比≥15 dB)情況下，中斷概率的理論表達式與蒙特卡洛仿真幾乎重合，也說明了在大信噪比的情況下，本文理論分析的正確性；② 從圖2可以看出，隨著用戶數(shù)目的增多(N=2～6)，安全的中斷概率隨之下降，說明通過增加成員節(jié)點能夠提高系統(tǒng)的安全性能；③ 從圖中可以看出，安全的中斷概率隨著安全信息速度的提高而降低；④ 當竊聽用戶的信噪比不變(在這里假設ΩRE=ΩUE=15 dB保持不變)，基站到中繼之間的信道的信噪比增加(從25～40 dB時)，系統(tǒng)中斷概率會變小，通過這種方式也可以有效提高系統(tǒng)的安全性能。

圖2 安全中斷概率與安全的傳輸速率之間的關系

4.2 基于安全性調(diào)度與傳統(tǒng)的輪循方式比較

在本例方案中，比較了本文提出的基于物理層安全的調(diào)度方式(Proposed Scheduling scheme)，與傳統(tǒng)的輪詢方式(Round-robin scheduling scheme)的區(qū)別,根據(jù)圖3可知，當普通節(jié)點數(shù)目增多時(即從2～4個時)，本文調(diào)度方式安全的中斷概率有明顯下降，也即安全性能有所增加，但也可以看出，隨著普通節(jié)點的增加，傳統(tǒng)的輪詢調(diào)度方式安全性能沒有任何變化，也就是增加成員節(jié)點并不能改善物理層的安全。

圖3 安全中斷概率與主信道SNR之間關系(ΩRE=ΩUE=15 dB)

5 結束語

針對物理層安全特性分析，提出通過構造信道差異來實現(xiàn)物理層信息的安全傳輸。針對基于多用戶調(diào)度的物理層安全模型，本文分析了一種特殊情況下的性能(假設工作在大信噪比情況下)，同時假設竊聽用戶既從成員節(jié)點獲取信息，也從中繼節(jié)點獲取信息，即考慮一種最壞情況下的物理層安全，具體分析了安全的中斷概率與安全信息速度之間的關系，安全中斷概率和主信道信噪比及竊聽信道信噪比之間的關系。由分析可知，在大信噪比情況下，隨著普通用戶數(shù)目的增加，系統(tǒng)的安全性能會有所改進。另一方面也比較了本文提出的普通用戶調(diào)度方式和傳統(tǒng)的輪詢用戶調(diào)度方式，結果證明隨著成員節(jié)點的增加，并不能改善傳統(tǒng)的調(diào)度方式的物理層安全性能，但是對于本文提出的調(diào)度方式，物理層安全性能則有所提升。

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Security Performance Analysis of Multi-user Scheduling in DF Relay Networks

FENG You-hong1,CAO Xi-zhu1,WANG Wei-gang2,DING Xu-xing1,WANG Zai-jian1,WANG Qi-meng1

(1.College of Physics and Electronic Information,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241000,China;2.College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing Jiangsu 210003,China)

In wireless communication systems,multi-user scheduling can improve thespectrum utilization efficiency and system throughput.In this paper,a proposed scheduling scheme is studied on the basis of physical layer security,and a worst communication scenario is considered,i.e.the unauthorized receiver eavesdrops not only from users but also from the relay node.The simulation results show the correctness of the theoretical expression,i.e.the expression is consistent with Monte Carlo simulation;and as compared with the traditional polling scheme,the proposed scheme achievesa lower outage probability of the communication system,and effectively improves the security of the system.

physical layer security;security outage probability;multi-user scheduling

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.09

馮友宏，曹喜珠，王韋剛，等.多用戶調(diào)度在中繼網(wǎng)路中的安全性能分析[J].無線電通信技術,2017,43(1):35-38，80.

2016-10-08

國家自然科學基金項目(61671252,61401004)；江蘇省2015年高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(KYLX15_0833)

馮友宏( 1979—)，男，副教授，主要研究方向：無線通信、物理層安全。曹喜珠( 1980—)，女，碩士研究生，主要研究方向：無線傳感網(wǎng)、物理層安全。

TN919.3

A

1003-3114(2017)01-35-4