張廣大, 任清華, 樊志凱

(1. 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 陜西 西安 710077;2. 中國電子科技集團公司航天信息應(yīng)用技術(shù)重點實驗室, 河北 石家莊 050081)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息技術(shù)的重要組成,已被廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。通過互聯(lián)海量的設(shè)備,在第5代無線通信技術(shù)的支撐下,物聯(lián)網(wǎng)為用戶提供了各種便捷、高效的服務(wù),滿足了用戶對美好生活的多樣化、多層次需求。然而,由于無線通信網(wǎng)絡(luò)自身的廣播特性和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布的隨機性,因此,在無線通信網(wǎng)絡(luò)中,信息既可被授權(quán)用戶訪問,也可以被非法用戶訪問,故更容易遭受到竊聽者的攻擊,造成信息的泄露[1-2]。為了強化無線通信網(wǎng)絡(luò)的安全性和對抗竊聽攻擊能力,實現(xiàn)對隱私的保護,物理層安全技術(shù)應(yīng)運而生。作為一種無密鑰的安全技術(shù),其為解決無線網(wǎng)絡(luò)中的信息安全問題提供了新的思路和方法。它通過利用無線信道中各種傳輸特性,如:噪聲信號、載波頻率偏移和信道狀態(tài)信息(channel state information, CSI)等,通過最大化合法信道與竊聽信道之間的速率差異,提升通信網(wǎng)絡(luò)的保密性能。同時,在當前迅速增長的計算能力對加密技術(shù)形成嚴重挑戰(zhàn)的背景下,物理層安全研究領(lǐng)域近年來備受關(guān)注[3]。

協(xié)同通信作為物理層安全技術(shù)的重要組成部分,既可以通過協(xié)作中繼方案以提高合法信道容量,也可以利用協(xié)作干擾方案降低竊聽信道容量,來增強系統(tǒng)的保密性[4-5]。中繼選擇(relay selection, RS)作為協(xié)作中繼方案的重要策略之一,恰當?shù)剡x擇中繼節(jié)點,能夠在完成信息傳輸?shù)耐瑫r,進一步強化系統(tǒng)的保密性能[6-8]。文獻[6]將RS轉(zhuǎn)換為預(yù)測和決策問題,并針對不同場景提出了兩種基于Q學(xué)習(xí)的RS算法。結(jié)果表明,所提算法可以實現(xiàn)最佳保密性能并節(jié)省收斂時間。文獻[7]研究了多竊聽者下非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)網(wǎng)絡(luò)的物理層安全性能,提出了一種新型的、基于兩階段的RS安全方案,以最大化不同接收用戶處的保密容量。文獻[8]分析了Nakagami-m衰落下兩跳中繼網(wǎng)絡(luò)的保密性能。首先,基于最大化保密容量準則選擇最佳中繼;其次,推導(dǎo)出保密中斷概率的閉合表達式;最后,討論了關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)保密性能的影響。協(xié)作干擾作為另一種有效的物理層安全技術(shù),利用友好干擾機將人工噪聲引入竊聽信道,以達到削弱竊聽信道質(zhì)量的目的。協(xié)作干擾主要包含兩種形式,一種是利用內(nèi)部友好節(jié)點發(fā)送干擾信號。如源節(jié)點[9]、目的節(jié)點[10]、中繼節(jié)點[11]等。另一種是借助外部的友好干擾機對竊聽節(jié)點的攻擊進行干擾[12-14]。文獻[12]研究了由一個源節(jié)點、一個目的節(jié)點、一個竊聽節(jié)點和一個多天線協(xié)作干擾機構(gòu)成的保密通信,在非完美CSI下推導(dǎo)出了多種保密性能指標的閉合表達式。文獻[13]研究了由一個基站、多個用戶和一個竊聽者組成的NOMA系統(tǒng)中的上行鏈路的保密性能。根據(jù)不同可用程度的CSI,提出了兩種可供友好干擾機選擇的物理層安全傳輸方案。文獻[14]分析了存在兩種攻擊模式的竊聽者的通信系統(tǒng)的保密性能,在考慮完美和非完美CSI情況下,提出了一種利用多天線友好干擾機的新型迫零波束成形安全傳輸方案。

由于無線通信信道具有天然開放性的特點,因此,傳輸環(huán)境中各種噪聲和干擾對通信系統(tǒng)均可能造成不同程度的影響。而由頻分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生的大量同信道干擾(co-channel interference, CCI)作為干擾信號的一種重要組成,對網(wǎng)絡(luò)中合法信號的正常傳輸和接收已造成十分嚴重的干擾,進而引起通信系統(tǒng)性能的下降[15]。隨著無線通信系統(tǒng)面臨的通信場景日益復(fù)雜,CCI問題已經(jīng)成為無線通信網(wǎng)絡(luò)急待解決的關(guān)鍵問題和研究重點之一[16]。當前,已有學(xué)者將CCI引入物理層安全中展開分析和討論[17-20]。文獻[17]研究了在CCI下、在基站上采用發(fā)射天線選擇方案,并同時在合法用戶上采用基于閾值的機會調(diào)度方案下的多用戶系統(tǒng)的保密性能。文獻[18]考慮了由單竊聽節(jié)點和多用戶節(jié)點組成的通信模型在CCI影響下系統(tǒng)的安全性和可靠性,并提出聯(lián)合用戶和干擾機選擇的安全傳輸方案,在最佳功率分配后,可以有效降低中斷概率和截獲概率之和。文獻[19]分析了多用戶場景下,蜂窩下行鏈路系統(tǒng)存在CCI時的保密性能,并依據(jù)CSI的可用程度,給出了兩種多用戶調(diào)度方案。結(jié)果表明,所提方案能夠有效降低CCI的影響。文獻[20]研究了在Nakagami-m衰落和同信道干擾下,多天線竊聽者對單輸入多輸出(single input multiple output, SIMO)系統(tǒng)保密性能的影響,推導(dǎo)出精確保密中斷概率的閉合表達式。特別地,針對多中繼場景,文獻[21]研究了CCI下基于放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplify-and-forward, AF)模式的多中繼網(wǎng)絡(luò)保密性能的影響。雖然上述文獻考慮了CCI對不同通信系統(tǒng)保密性能的影響,但它們大都局限于通過多天線技術(shù)或者資源分配方案提升系統(tǒng)的保密性能,而針對多中繼系統(tǒng)的研究較少。當前文獻著眼于通過合理的資源調(diào)度實現(xiàn)增強系統(tǒng)保密性能的目標,而如何解決能量資源的約束問題,也是如今研究人員重點研究的課題之一。

本文的主要貢獻是為解決存在多個CCI和噪聲的情況下的多中繼系統(tǒng)合法信號的保密傳輸問題,提出了一種利用RS和友好干擾機協(xié)作干擾的混合協(xié)作安全傳輸方案。基于自由空間損耗以及小尺度衰落相結(jié)合的傳播模型,在考慮中繼節(jié)點、合法用戶、竊聽者均受到CCI下,首先,對于部分CSI已知的不同條件下,得到隨機RS(random RS, RRS)和最佳RS(optimal RS, ORS)兩種RS策略。同時,利用具有能量采集能力的友好干擾機,從其接收信號中提取能量,用于在信息傳輸?shù)牡诙r隙進行協(xié)作干擾。其次,推導(dǎo)出系統(tǒng)的保密中斷概率閉合表達式。最后,數(shù)值仿真驗證了理論推導(dǎo)的正確性，并給出了典型參數(shù)對系統(tǒng)保密性能的影響。

1 系統(tǒng)和信道模型

1.1 系統(tǒng)模型

本文基于文獻[21]中的模型展開推廣,研究CCI下基于多中繼通信系統(tǒng)的保密傳輸方案。如圖1所示,系統(tǒng)由一個信號發(fā)射機S、M個中繼節(jié)點R1,R2,…,RM、一個具有能量采集功能的友好干擾機J、一個合法接收用戶(legitimate user, LU)和一個潛在的信號竊聽者(eavesdropper, EAV)構(gòu)成。其中,中繼節(jié)點均只配置單天線。另外,中繼節(jié)點的協(xié)作方式為解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decade-and-forward, DF),所有節(jié)點均工作在半雙工模式。與此同時,系統(tǒng)中的節(jié)點均能夠收到來自同信道信號源以相應(yīng)功率PN發(fā)射的N個干擾信號I1,I2,…,IN。假設(shè)系統(tǒng)受到嚴重衰落和障礙物的影響,可以認為發(fā)射機和合法用戶間無法建立直連鏈路S→U來完成通信,必須通過中繼節(jié)點輔助傳輸保密信號。與文獻[22]中的假設(shè)類似,考慮到網(wǎng)絡(luò)中CSI的反饋通道的傳輸能力有限和存在反饋延遲等原因,假設(shè)發(fā)射機S僅能夠獲取第一跳的CSI。

圖1 多中繼系統(tǒng)傳輸模型Fig.1 Multi-relay system transmission model

1.2 信號模型

從發(fā)射機發(fā)射信號到合法用戶接收的整個通信過程分為兩個時隙。

(1) 在第一時隙中,發(fā)射機S向中繼節(jié)點發(fā)射保密信號xS。在CCI下,此時,任意中繼節(jié)點Ri能夠接收到的信號表示為

(1)

式中:LSRi表示發(fā)射機S和第i個中繼節(jié)點Ri之間的距離;hSRi表示發(fā)射機S和第i個中繼節(jié)點Ri之間的平均信道增益;LInRi表示第n個同信道干擾和第i個中繼節(jié)點Ri之間的距離;hInRi表示第n個同信道干擾和第i個中繼節(jié)點Ri之間的平均信道增益。

同時,友好干擾機和竊聽者能夠接收到的信號為

(2)

(3)

式中:i∈{1,2,…,M};xIn表示干擾源發(fā)送的干擾信號;PS表示發(fā)射機的信號發(fā)射功率。

根據(jù)式(1),可知中繼節(jié)點Ri接收信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR)為

(4)

由式(3)可知,竊聽者處的接收SINR為

(5)

在該時隙中,基于射頻信號能量采集,友好干擾機能夠采集到的能量為

(6)

(7)

(2) 在第二時隙中,在選擇出最佳中繼節(jié)點后,由中繼節(jié)點對保密信號進行重新編碼,將保密信號傳輸至合法接收用戶。于是,合法接收用戶U和竊聽節(jié)點E處接收信號yRiU和yRiE可分別表示為

(8)

(9)

設(shè)人工噪聲信號被合法用戶先驗已知[24],經(jīng)過干擾自消除后能夠被完全消除,故合法用戶將不受其影響。因此,在合法用戶和竊聽者處的接收信號對應(yīng)的SINR可表示為

(10)

(11)

2 RS策略

本文考慮在多中繼場景中存在潛在的信息安全問題,制定恰當?shù)腞S策略，以增強系統(tǒng)的保密性能?；诎l(fā)射機與合法用戶間不存在直連鏈路這一般假設(shè),發(fā)射機獲取全局CSI將十分困難,故本文依據(jù)系統(tǒng)的部分CSI。只考慮第一跳中CSI的可用程度,提出兩種RS方案,分別是基于無CSI和基于部分CSI的隨機RS策略和最佳RS策略。

2.1 隨機RS策略

在發(fā)射機缺乏任何CSI的情況下,通常采用隨機RS方案[25],在給出的符合條件的中繼集合中隨機選擇中繼節(jié)點Ri,將保密信號轉(zhuǎn)發(fā)至合法用戶處。具體選擇準則為

(12)

式中:rand(·)表示隨機函數(shù)。

2.2 最佳RS策略

在發(fā)射機能夠掌握第一跳中的全部CSI的情況下,即當發(fā)射機已知鏈路S→R和鏈路S→E的CSI時,此時將能夠?qū)崿F(xiàn)該階段最大保密容量的中繼節(jié)點視為最佳中繼節(jié)點。特別地,本文考慮到最佳節(jié)點的可用性,設(shè)定具體選擇準則為

(13)

3 保密性能分析

保密中斷概率作為物理層安全中衡量系統(tǒng)性能的重要指標,是指瞬時保密容量CS小于某一預(yù)設(shè)目標保密傳輸速率RS的概率。本節(jié)給出基于兩種RS方案的保密中斷概率表達式,用作系統(tǒng)保密性能指標。具體定義為

Pout(RS)=Pr(CS≤RS)

(14)

式中:CS表示系統(tǒng)的保密容量;RS為預(yù)先給定的目標保密速率。

由于在兩跳協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中,系統(tǒng)合法信號傳輸從源節(jié)點到中繼節(jié)點，再到目的節(jié)點,若任意一跳產(chǎn)生中斷,通信過程將失敗。結(jié)合系統(tǒng)模型可知,竊聽者E能夠竊聽在SRi和RiU傳輸期間的信息。因此,基于DF模式的兩跳中繼系統(tǒng)保密容量可表示為

CS=min(CS1,CS2)

(15)

式中:CS1和CS2分別表示信道S→R和R→U中能夠達到的保密容量。具體為

(16)

(17)

式中:[x]+=max{x,0},CSRi和CRiU表示不同時隙下合法信道的信道容量;CSE和CRiE表示不同時隙下竊聽信道的信道容量。

將式(15)代入式(14),有:

(18)

由式(18)可知,系統(tǒng)保密中斷概率由P1和P2構(gòu)成,下面計算不同傳輸階段下的保密中斷概率。

3.1 發(fā)射機至中繼節(jié)點信道分析

3.1.1 隨機RS策略

根據(jù)式(16),結(jié)合隨機RS準則可知P1的表達式為

P1=Pr(CS1

Pr(γSRi<δ(1+γSE)-1)=

(19)

式中:FγS Ri(·)和fγS E(·)分別表示累積分布函數(shù)(cumulative distribution function, CDF)和概率密度函數(shù)(probability density function, PDF),且δ=22RS,證明見命題1。

命題 1由于同信道干擾信號所有信道服從獨立同分布,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可計算如下:

FγS Ri(x)=Pr(γSRi

(23)

(24)

聯(lián)合式(23)和式(24),并結(jié)合指數(shù)分布的CDF和PDF,有FA1(x+xw)=1-exp(-λA1(x+xw))。經(jīng)過有限步驟計算后,CDFFγS Ri(x)可表示為

(25)

(26)

根據(jù)式(19),將式(25)和式(26)代入后,P1的表達式為

(27)

式中:

(28)

(29)

(30)

詳細計算過程見命題2。

證畢

命題 2為了簡單表示,將單積分形式表示為參數(shù)表達式,下面對式(29)、式(30)進行求解。

證明(1) 當β1≠β2時,此時,被積函數(shù)I1.1和I2.1可被重寫為

(31)

(32)

式中:

(35)

根據(jù)積分文獻[26],式(29)、式(30)積分求解后的解析表達式見式(46)和式(47)。

(2) 當β1=β2=β,此時,可將式(29)、式(30)重寫為

(36)

(37)

利用公式積分求解后得到

I1(β1,β2,β3)=I1(β,β,β3)=Nexp(ββ3)×

(38)

I2(β1,β2,β3)=I2(β,β,β3)=λA2exp(ββ3)×

(39)

(3) 特別地,當β3=0時,有

a.當β1≠β2,代入求解積分后有:

(40)

b.當β1=β2=β,代入求解積分后有:

(41)

證畢

3.1.2 最佳RS策略

由最佳RS準則,可得對應(yīng)的保密中斷概率為

(42)

由式(13)可知,最佳RS策略中合法信道的CDF可表示為

(43)

由命題1中式(23)～式(26),中繼節(jié)點處接收信號的SINR對應(yīng)的CDF為

(44)

由式(42)和式(44)代入后解得最佳中繼節(jié)點對應(yīng)的保密中斷概率為

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

(45)

(46)

(47)

3.2 中繼節(jié)點至合法用戶信道分析

由于兩跳協(xié)作中繼網(wǎng)絡(luò)中,第一跳信道與第二跳信道具有獨立性,因此,將式(17)代入式(18)后,可得P2表達式為

Pr(γRiU<22RS(1+γRiE)-1)=

Pr(X<δ(1+Y)-1)=

(48)

式(48)中,令X=γRiU,Y=γRiE。根據(jù)式(10)和式(11),結(jié)合命題1中部分證明過程,則X和Y對應(yīng)的CDF可表示為

(49)

命題 3第二時隙中,竊聽節(jié)點接收信號的SINR對應(yīng)的CDF為

(50)

證明由式(11)有

(51)

(52)

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

(53)

根據(jù)K的表達式可知CDFFK(k)為

(54)

將式(54)代入式(53),由文獻[26]中的公式可得

(55)

K1(x)為第二類修正貝塞爾函數(shù)。

由式(24)可知,PDFfV(v)為

(56)

聯(lián)合式(55)和式(56),代入式(52),可得式(50)。其中,E1(x)為指數(shù)積分函數(shù)。

證畢

可以看到,由于被積函數(shù)形式十分復(fù)雜,因此,根據(jù)CDF的性質(zhì),同時結(jié)合文獻[21],進行相應(yīng)簡化后有:

(57)

(58)

(59)

由分部積分法,可將式(48)重寫為

(60)

下面分別計算P2.1和P2.2:

(61)

(62)

求解積分后,有:

P2.1=D2(N-1)×

(63)

P2.2=D1N×

(64)

式中:Γ(x)表示伽馬函數(shù),對應(yīng)參數(shù)為

結(jié)合式(18)、式(27)、式(63)和式(64),可得保密中斷概率的閉合表達式。

4 仿真結(jié)果與討論

本節(jié)對基于能量采集的友好干擾機輔助下的多中繼系統(tǒng)的性能進行數(shù)值分析和仿真驗證,從保密中斷概率角度分析CCI下所提安全傳輸方案下系統(tǒng)的保密性能。為了驗證所提方案的有效性,本文設(shè)置并統(tǒng)一在CCI環(huán)境下的有關(guān)仿真參數(shù)后,與以下文獻中的安全方案進行仿真對比:① 方案I:基于能量采集的多RS的安全傳輸方案[27],在控制竊聽節(jié)點數(shù)目的基礎(chǔ)上,用于對比協(xié)作干擾方案對系統(tǒng)性能的影響。② 方案II:基于聯(lián)合中繼和友好干擾機選擇的安全傳輸方案[28],在控制中間節(jié)點數(shù)目的基礎(chǔ)上,用于對比RS方案對系統(tǒng)性能的影響。

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本節(jié)仿真采用蒙特卡羅方法,所有的仿真結(jié)果均是由106次仿真后取平均值得到的。具體的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示,后文中如無特殊說明,仿真中均使用表1中所給出的參數(shù)值。

表1 系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置

4.2 結(jié)果分析與討論

圖2展示了不同方案下系統(tǒng)保密中斷概率隨發(fā)射機發(fā)射信噪比的變化情況。從圖2中可以看到,本文所提方案在高信噪比的區(qū)域,系統(tǒng)保密性能表現(xiàn)更好,能夠有效對抗CCI的影響,仿真值與解析值結(jié)果吻合情況較好,這符合文獻中進行簡化的假設(shè)條件,同時證明了系統(tǒng)保密中斷概率閉合表達式推導(dǎo)的準確性。如圖2所示,3種方案最終都能收斂到一個門限值,這是因為隨著發(fā)射機信噪比的增大,合法信號在合法用戶和竊聽者處的SINR都同時增大。因此,保密中斷概率將逐漸收斂。另外,仿真結(jié)果表明,在給定相同發(fā)射信噪比的約束下,在同一方案中,當保密速率RS由0.2 bit/s/Hz增加到0.4 bit/s/Hz時,盡管設(shè)定更高的保密速率RS能夠獲得更好的系統(tǒng)性能,但保密中斷概率的增加意味著發(fā)射機與合法用戶之間的保密傳輸更有可能被竊聽者成功攔截。

圖2 不同方案下系統(tǒng)保密中斷概率隨發(fā)射信噪比變化圖Fig.2 System secrecy outage probability achieved by different scheme versus signal to noise ratio of transmission

圖3比較了本文所提方案中RRS和ORS兩種RS策略的保密中斷性能隨發(fā)射信噪比的變化曲線圖。由圖3可以看到,當目標保密速率RS為0.4 bit/s/Hz時,不同RS策略對應(yīng)的保密中斷概率均呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢,進而收斂。同時,隨著發(fā)射信噪比的增加,最佳中繼選擇策略相較于隨機中繼策略具有明顯的優(yōu)勢。這是因為ORS策略考慮了系統(tǒng)的保密性能,根據(jù)CSI做出有利選擇,表明CSI對于無線通信傳輸性能的提升起到了關(guān)鍵作用。另外,對于相同的RS策略而言,干擾源數(shù)目的增加對RS策略起到負面的作用,當干擾源數(shù)目N由8減少到5時,系統(tǒng)保密中斷概率在低信噪比時有明顯降低,系統(tǒng)保密性能變得更好,而當發(fā)射信噪比逐漸增加后,干擾源數(shù)目對保密性能的提升逐漸減弱。這是由于,對于足夠大的高信噪比而言,CCI在各節(jié)點處的接收信干噪比中占比將可忽略不計,所以其對系統(tǒng)的影響隨之減小。

圖4給出了系統(tǒng)保密中斷概率隨PS因子ρ的變化曲線圖。

圖3 兩種RS策略下的系統(tǒng)保密性能比較Fig.3 Comparison of system secrecy performance under two RS strategies

圖4 系統(tǒng)保密中斷概率隨PS因子的變化圖Fig.4 System secrecy outage probability achieved by proposed scheme versus PS factor

如圖4所示,可以得到:① 隨著PS因子的增加,系統(tǒng)保密中斷概率先減小而后隨之增大,系統(tǒng)的保密概率在PS因子從0.1增加到0.5左右后增強,這主要是因為,當PS因子在該范圍內(nèi)增大時,友好干擾機中的信息傳輸(information transmission, IT)模塊得到了更多的能量,增加了人工噪聲的干擾信號發(fā)射功率,進一步降低了竊聽者處接收的SINR。因此,保密中斷概率不斷下降。此外,當PS因子ρ高于最優(yōu)值后,保密中斷概率逐漸上升,原因在于友好干擾機中用于信號接收任務(wù)的能量降低,導(dǎo)致接收到的信號強度對友好干擾機信號傳輸造成負面影響。② 當干擾噪聲比(interference noise to ratio, INR)為2 dB或4 dB時,更高的能量轉(zhuǎn)化效率能夠提升友好干擾機采集的能量,增強系統(tǒng)保密性能。而當η相同時,干擾信噪比的增加,對系統(tǒng)保密性能提升顯著,這表明在一定情況下,增加干擾信噪比能夠提升保密性能。③ 對比不同的INR和η可以看到,盡管干擾信噪比減小,使得合法用戶和竊聽者的接收信號SINR均增大,但當η增大且ρ設(shè)置合理時,系統(tǒng)保密性能仍然能夠得到提升。這說明,友好干擾機的設(shè)置對系統(tǒng)保密性能具有十分重要的作用,同時可以看到,不同的參數(shù)設(shè)置為增強系統(tǒng)保密性能提供了多樣的思路和方案。

圖5研究了系統(tǒng)保密中斷概率隨干擾源數(shù)目N的變化曲線圖。

圖5 系統(tǒng)保密中斷概率隨干擾源數(shù)目N的變化圖Fig.5 System secrecy outage probability achieved by proposed scheme versus number of interference N

如圖5所示,當干擾源數(shù)目不斷增加時,系統(tǒng)保密中斷概率將隨之不斷減小。這是因為,CCI對竊聽信道的影響要更為顯著,N的增加會提供更多能量而用于發(fā)送人工噪聲。當INR相同時,中繼節(jié)點數(shù)目的增加也能夠增強系統(tǒng)的保密性能,這是因為,在本文方案中,增加中繼節(jié)點為RS策略提供了更多的備選節(jié)點,出現(xiàn)保密性更好的節(jié)點概率更大,故系統(tǒng)中斷概率進一步下降。對比不同曲線可以看到,當N=10,INR=2 dB或INR=4 dB時,若中繼數(shù)目M從4增加至8,系統(tǒng)保密中斷概率分別降低約0.106和0.034。而當N=10,M=4或M=8時,若INR從2 dB增加至4 dB,系統(tǒng)保密中斷概率分別降低約0.086和0.016。這表明在一定條件下,RS策略相較于協(xié)作干擾對提升系統(tǒng)的保密性能而言更為重要。因此,本文所提方案具有有效性。

5 結(jié) 論

多中繼協(xié)作技術(shù)作為第5代移動通信技術(shù)的重要組成部分,如何實現(xiàn)多中繼系統(tǒng)中信息的安全、可靠傳輸在當前具有十分重要的意義。本文針對多中繼傳輸系統(tǒng)在非理想信道條件下的信息安全問題和節(jié)點資源受限困境,提出了一種將中繼選擇與協(xié)作干擾相結(jié)合的混合協(xié)作物理層安全傳輸方案,通過基于能量采集的友好干擾機,在進行協(xié)作干擾的同時，節(jié)約了資源,并且提升了能量的利用效率。首先,在信息傳輸?shù)牡谝浑A段,當部分CSI已知情況時,給出了兩種RS策略。在信息傳輸?shù)牡诙A段,友好干擾機利用采集的能量向潛在的竊聽者發(fā)送人工噪聲信號,對抗竊聽者的被動攻擊,達到保密傳輸?shù)哪康?接著,在考慮CCI的傳輸環(huán)境下,推導(dǎo)出系統(tǒng)保密中斷概率閉合表達式;最后,利用蒙特卡羅仿真方法分析了有關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)保密性能的影響,得到的相關(guān)結(jié)論具有一定的實際意義。下一步,將在考慮CCI的基礎(chǔ)上,進一步研究非完美CSI對多中繼系統(tǒng)的保密性能的影響。