張倩倩

(南京審計(jì)大學(xué)金審學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

0 引言

作為一種分布式的虛擬多天線傳輸技術(shù)，協(xié)同傳輸通信技術(shù)融合了分集與中繼傳輸?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，在不增加天線的基礎(chǔ)上，可在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)并獲得多天線與多跳傳輸?shù)男阅茉鲆?，從而提高系統(tǒng)的傳輸性能，帶來了無線通信領(lǐng)域的巨大變革[1]。對(duì)任何通信系統(tǒng)而言，信息傳輸?shù)陌踩?、可靠性、有效性同等重要，都直接決定著系統(tǒng)的可用性。而在協(xié)同傳輸通信系統(tǒng)中，采用中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的協(xié)同傳輸雖然提高了信息傳輸?shù)目煽啃院陀行裕珔s使信息傳輸面臨著嚴(yán)重的安全威脅。因?yàn)闊o線信道的開放性可使信號(hào)傳播范圍內(nèi)的所有接收機(jī)均有可能接收到發(fā)射信號(hào)，給無線通信帶來了嚴(yán)重的安全威脅，而且協(xié)同傳輸系統(tǒng)中中繼節(jié)點(diǎn)的介入會(huì)使得系統(tǒng)子信道數(shù)大為增加，這樣系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⒏菀妆凰烁`聽。

在傳統(tǒng)的陸地?zé)o線通信系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[2-5]提出中繼協(xié)同技術(shù)能有效擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并提高無線系統(tǒng)的物理層安全容量。文獻(xiàn)[6-8]利用中繼協(xié)同技術(shù)提高了無線通信系統(tǒng)的安全容量，相比于傳統(tǒng)的直傳鏈路和輪回調(diào)度方法，顯著增強(qiáng)了無線通信系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[9-10]聯(lián)合考慮了中繼與干擾技術(shù)，通過增加人工干擾進(jìn)一步改善了無線傳輸?shù)谋Ｃ苄?。此外，物理層安全技術(shù)利用無線信道特性可以實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的安全加密，近年來也引起了廣泛的研究興趣。文獻(xiàn)[11]驗(yàn)證了在傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以利用物理層安全技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠通信。文獻(xiàn)[12]分析了引入?yún)f(xié)作干擾后傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性能，并且推導(dǎo)出安全容量的閉式表示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)為雙向中繼網(wǎng)絡(luò)時(shí)，文獻(xiàn)[13]提出了一種最優(yōu)的能量分配方式以最大化網(wǎng)絡(luò)總的安全速率。針對(duì)射頻無線充能的多天線傳感器網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[14]提出了一個(gè)兩階段的安全傳輸協(xié)議，通過對(duì)發(fā)送功率、信息波束成型等參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化以提高網(wǎng)絡(luò)的安全能量效率。

然而，傳統(tǒng)思維陸地通信系統(tǒng)物理層安全中，通常采用固定式的或者準(zhǔn)靜態(tài)的中繼節(jié)點(diǎn)，因此無線通信的物理層安全中中繼節(jié)點(diǎn)的位置對(duì)合法鏈路的鏈路質(zhì)量具有較大的影響。此外，在一些特殊的場(chǎng)景中，例如戰(zhàn)場(chǎng)上，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)是不斷變化的，采用固定的中繼節(jié)點(diǎn)很顯然不能滿足特殊的需求。近年來，由于無人機(jī)具有多種優(yōu)勢(shì)，例如高速移動(dòng)性、低成本、按需部署等，無人機(jī)在無線通信中得到廣泛使用?，F(xiàn)有的無人機(jī)協(xié)作通信在提高物理層安全方面主要通過博弈建模[15-16]、功資源管理[17-18]、軌跡優(yōu)化[19-20]等方式。

本文主要研究了無人機(jī)作為中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)同傳輸通信系統(tǒng)。在源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)位置固定的前提下，充當(dāng)中繼的無人機(jī)在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間來回飛行，可以減小信息接收與中繼轉(zhuǎn)發(fā)階段的信息傳輸距離，進(jìn)而降低信息傳輸過程中的大尺度損耗。對(duì)于竊聽節(jié)點(diǎn)，無人機(jī)中繼的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，因此相比于主信道，竊聽信道容量不能獲得相應(yīng)的改善，從而有效提高了無人機(jī)中繼系統(tǒng)的安全容量。此外，在信息傳輸中，通過在源節(jié)點(diǎn)加入人工干擾噪聲的方式減少額外噪聲節(jié)點(diǎn)給網(wǎng)絡(luò)帶來的開銷。文中通過與采用固定中繼節(jié)點(diǎn)的對(duì)比得出采用無人機(jī)中繼的方式能有效提高系統(tǒng)的安全容量。此外，在信源端發(fā)送功率一定的條件下存在最佳功率分配方案，可使系統(tǒng)安全容量達(dá)到最大值。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示。為簡(jiǎn)便起見，這里假設(shè)兩信源之間沒有直接通路，只能通過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息協(xié)同傳輸，并且假設(shè)竊聽節(jié)點(diǎn)為了防止被偵察到，竊聽節(jié)點(diǎn)位于源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)中間的位置。此外，由于本文只對(duì)無人機(jī)中繼做初步的探討，文中暫時(shí)不考慮無人機(jī)飛行中信道的快衰落與多普勒效應(yīng)。圖1中S為信源節(jié)點(diǎn)，D為目的節(jié)點(diǎn)，U為中繼節(jié)點(diǎn)，E為竊聽節(jié)點(diǎn)。用xS、xJ分別表示信源S發(fā)送的有用信號(hào)及干擾信號(hào)；源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)總功率為E0(E0=ES+EJ，ES為有用信號(hào)功率，EJ為干擾信號(hào)功率)；源節(jié)點(diǎn)到無人機(jī)的信道系數(shù)為hSU，源節(jié)點(diǎn)到竊聽節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)為hSE，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)為hUD。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖1所示的無人機(jī)協(xié)同傳輸系統(tǒng)模型中，信息傳輸分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段，源節(jié)點(diǎn)將信息及干擾信號(hào)發(fā)送給無人機(jī)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)、竊聽節(jié)點(diǎn)均能同時(shí)接收到源節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，信號(hào)公式分別如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式中，nSU、nSD分別表示無人機(jī)節(jié)點(diǎn)與竊聽節(jié)點(diǎn)處的信道噪聲，均可被建模為均值為0、方差為σ2的高斯隨機(jī)變量。在這一階段，外在惡意竊聽節(jié)點(diǎn)竊聽到的信道容量如式(3)所示。

(3)

式中，W表示帶寬。

無人機(jī)接收到的信道容量如式(4)所示。

(4)

第二階段，無人機(jī)節(jié)點(diǎn)將接收的信號(hào)yu經(jīng)過一段時(shí)間的飛行，在距離目的節(jié)點(diǎn)一定的位置將信號(hào)放大轉(zhuǎn)發(fā)給目地節(jié)點(diǎn),發(fā)送功率為EU，放大系數(shù)β如式(5)所示。

(5)

相應(yīng)的D接收到的信號(hào)yD如式(6)所示。

(6)

外在惡意竊聽節(jié)點(diǎn)E接收到的信號(hào)yE2如式(7)所示。

(7)

需要注意，本文設(shè)計(jì)的模型中干擾信號(hào)是在源節(jié)點(diǎn)加入的，在中間傳輸過程中干擾信號(hào)一直存在，對(duì)于目的節(jié)點(diǎn)來說干擾信號(hào)是已知的，因此目的節(jié)點(diǎn)濾除干擾信號(hào)就可以得到應(yīng)該要接收的信號(hào)，D接收到的信號(hào)以及U到D的信噪比分別為式(8)、式(9)所示。

(8)

(9)

根據(jù)山農(nóng)信道容量公式，雙向中繼信道中，信源與目的節(jié)點(diǎn)之間的信道容量CD如式(10)所示。

(10)

此外，第二階段竊聽節(jié)點(diǎn)竊聽到的信道容量如式(11)所示。

(11)

2 系統(tǒng)安全性能分析

本文使用安全容量這一性能對(duì)系統(tǒng)的安全性能進(jìn)行分析。根據(jù)Wyner對(duì)安全容量的定義，本系統(tǒng)安全容量可以表示為：

CS=(CU+CD-CE1-CE2)+

(12)

其中，(x)+表示{x,0}中的最大值。

本文所述邪惡系統(tǒng)模型中，是通過在信源端加入人為干擾噪聲的方式來增強(qiáng)系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩缘?。因此，干擾信號(hào)的設(shè)置將影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性能的獲取，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全通信的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)安全通信，應(yīng)有：

maxCS=max(CU+CD-CE1-CE2)

(13)

式中，Emax為系統(tǒng)最大傳輸功率。

3 系統(tǒng)仿真與分析

3.1 場(chǎng)景A

若系統(tǒng)中，信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)的總功率一定，假設(shè)有用信號(hào)與噪聲信號(hào)功率相同，則在分析中將重點(diǎn)分析信道衰落對(duì)系統(tǒng)安全性能的影響。

假設(shè)噪聲方差σ2=1,傳輸帶寬W=1,有用信號(hào)功率與噪聲信號(hào)功率相同ES=EJ,分別采用無人機(jī)中繼與固定節(jié)點(diǎn)中繼方式。從圖2中可以看出在整個(gè)信噪比范圍內(nèi)，采用無人機(jī)中繼比采用固定節(jié)點(diǎn)中繼方式具有更高的安全容量，系統(tǒng)安全性能更好。

圖2 不同中繼方式下安全容量對(duì)比圖

3.2 場(chǎng)景B

若系統(tǒng)中，信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)總功率一定，但有用信號(hào)功率與噪聲信號(hào)功率不相同，則此時(shí)存在最佳功率分配問題。

在許多實(shí)際系統(tǒng)中系統(tǒng)總的發(fā)送功率通常是有一定限制的。也就是說，在系統(tǒng)總發(fā)送功率受限條件下對(duì)上述問題進(jìn)行討論將具有更大的實(shí)用價(jià)值?，F(xiàn)假設(shè)系統(tǒng)總發(fā)送功率一定且為E0，干擾信號(hào)占系統(tǒng)總功率的比例為a，即EJ=aE0。從圖3中可以看出：(1)當(dāng)系統(tǒng)總發(fā)送功率一定時(shí)，隨著干擾信號(hào)功率占比的增加，系統(tǒng)安全容量曲線呈現(xiàn)先逐漸升高再逐漸降低的趨勢(shì)；(2)當(dāng)干擾信號(hào)功率占總功率比例在0.4時(shí)，即a=0.4時(shí)系統(tǒng)可獲得最大安全容量。

圖3 采用無人機(jī)中繼時(shí)最佳功率分配

4 結(jié)論

本文對(duì)無人機(jī)在協(xié)同傳輸通信中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的討論，系統(tǒng)假設(shè)存在竊聽節(jié)點(diǎn)的前提下，采用信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送有用信號(hào)與人工噪聲的方式進(jìn)行通信，通過對(duì)比采用無人機(jī)中繼與固定節(jié)點(diǎn)中繼的結(jié)果得出，采用無人機(jī)中繼能夠得到較好的系統(tǒng)性能，無人機(jī)中繼可在很多特殊的場(chǎng)景下使用，因此具有較好的前景。在此基礎(chǔ)上，本文分析了采用無人機(jī)中繼時(shí)，系統(tǒng)功率分配的問題。在發(fā)送信號(hào)總功率一定的條件下，有用信號(hào)功率與噪聲功率所占比例對(duì)系統(tǒng)安全性能具有一定的影響。通過利用無人機(jī)本身的特性和在信源端發(fā)送人工干擾的方式可以提高系統(tǒng)的安全性能。