無(wú)線通信網(wǎng)第m佳用戶調(diào)度安全性能分析

馮友宏，王啟蒙，岳雪峰，楊 志

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

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無(wú)線通信網(wǎng)第m佳用戶調(diào)度安全性能分析

馮友宏，王啟蒙，岳雪峰，楊 志

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

針對(duì)發(fā)送端有多個(gè)用戶(M)并且存在竊聽(tīng)者的無(wú)線通信系統(tǒng)的安全問(wèn)題，在最優(yōu)用戶選擇的基礎(chǔ)上，提出選擇第m佳的用戶來(lái)發(fā)送信息，根據(jù)提出的模型思想進(jìn)一步推出該方案下的安全中斷概率表達(dá)式，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)分析安全中斷概率與信道信噪比、安全傳輸速率以及發(fā)送端用戶數(shù)目之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明：① 當(dāng)固定其他條件不變，主信道信噪比增加、竊聽(tīng)信道信噪比減少、安全傳輸速率變小和發(fā)送端用戶增加都能使安全中斷概率減小，使系統(tǒng)的安全性能提高；② 仿真結(jié)果與理論分析一致，隨著m的減小，安全中斷概率減小，系統(tǒng)的安全性能變好，當(dāng)選擇最佳的用戶時(shí)，系統(tǒng)的安全中斷概率最小，安全性能最好；③ 提出的選擇方案相對(duì)隨機(jī)選擇發(fā)送端的用戶有顯著的優(yōu)點(diǎn)，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。

無(wú)線通信網(wǎng)；物理層安全；安全中斷概率；第m佳用戶調(diào)度

0 引言

傳統(tǒng)的保護(hù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究是以密碼學(xué)為基礎(chǔ)的相關(guān)加密技術(shù)，然而隨著科技的發(fā)展，上層加密技術(shù)的缺點(diǎn)就顯露出來(lái)：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展首先使信息變得容易被竊聽(tīng)；其次，它的發(fā)展讓上層加密技術(shù)的密鑰管理和分配更加復(fù)雜，加密過(guò)程更加困難。因此，更多研究人員開(kāi)始研究無(wú)需密鑰協(xié)商的安全方案，就是物理層安全[1-3]。物理層安全主要是利用信道特征的差異來(lái)保證信息安全傳輸。對(duì)物理層安全的研究可追溯到1948 年香農(nóng)(Shannon)提出的一般意義上的加密模型。

信息通過(guò)密鑰加密后進(jìn)行傳輸，竊聽(tīng)端與合法接收端都能收到加密后的密文，合法接收端知道密鑰，可以用它解密接收到的密文，而竊聽(tīng)端沒(méi)有密鑰，無(wú)法解密出原來(lái)的信息。Wyner在上世紀(jì)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。wiretap 信道需要主信道(合法用戶之間)比竊聽(tīng)信道有容量?jī)?yōu)勢(shì)，但近幾年的理論及技術(shù)的發(fā)展突破了這個(gè)要求。

1 相關(guān)研究

物理層安全技術(shù)的研究發(fā)展迅速，在文獻(xiàn)[4-5]中證明了信道中存在竊聽(tīng)者的情況下，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的之間的信道(合法用戶信道)性能優(yōu)于發(fā)送節(jié)點(diǎn)與竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)之間的信道(竊聽(tīng)信道)性能時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以安全地與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在文獻(xiàn)[6]中證明了即使在合法用戶信道比竊聽(tīng)者信道差的情況下，信息依然可以進(jìn)行安全傳輸。協(xié)作中繼技術(shù)(Cooperative Relay，CR)作為一個(gè)研究方向帶來(lái)了一系列成果，協(xié)作中繼技術(shù)是利用系統(tǒng)中的中繼節(jié)點(diǎn)或者其他的輔助節(jié)點(diǎn)來(lái)協(xié)助數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠有效地抵御無(wú)線信道的衰落。選擇技術(shù)包含用戶調(diào)度和天線選擇。用戶調(diào)度是指當(dāng)有多個(gè)用戶存在時(shí)，選擇合適的用戶來(lái)發(fā)送或接收信息并分析該方案的安全性能；天線選擇作為一種強(qiáng)有力的信號(hào)處理技術(shù),在保證系統(tǒng)性能的同時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜度以及實(shí)施成本。人工噪聲在發(fā)射端添加適當(dāng)?shù)娜斯ぴ肼?，以犧牲部分發(fā)射功率為代價(jià)，可人為增大竊聽(tīng)者與合法接收者之間的信道質(zhì)量差距。因此，即便合法接收者的信道噪聲強(qiáng)于竊聽(tīng)者，安全傳輸仍然可能實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[7]提出了有天線選擇空間調(diào)制方案和中繼選擇空間調(diào)制方案結(jié)合的空間調(diào)制系統(tǒng)方案。在多路輸入輸出系統(tǒng)中，針對(duì)空間調(diào)制技術(shù)存在的欠缺，選擇發(fā)送端信道狀態(tài)最強(qiáng)的天線進(jìn)行空間調(diào)制。進(jìn)一步把該思想引入?yún)f(xié)作通信網(wǎng)，該方案能提升系統(tǒng)性能，且使系統(tǒng)配置更加靈活。文獻(xiàn)[8]對(duì)于一個(gè)多用戶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將多用戶調(diào)度與協(xié)作干擾技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對(duì)Round-robin、Suboptimal與Optimal這3用戶調(diào)度策略在不加協(xié)作干擾情景與附加協(xié)作干擾情景進(jìn)行理論與仿真分析，最后證明 Optimal用戶調(diào)度策略相對(duì)于其他用戶調(diào)度策略具有最佳的安全性能，而Suboptimal用戶調(diào)度策略也具有較好的安全性能，且Round-robin用戶調(diào)度策略的安全性能最差。最后還證明聯(lián)合方案的安全性能高于僅采用多用戶調(diào)度的方案。文獻(xiàn)[9]提出了一種人工噪聲新方案。對(duì)于未知竊聽(tīng)信道狀態(tài)的多輸入單輸出系統(tǒng)，首先，在發(fā)送端既考慮合法信道的狀態(tài)信息又考慮人工噪聲具體取值，判斷到合法接收端的人工噪聲是否有利。然后，人工噪聲有益時(shí)，采用全向波束賦形矢量，人工噪聲可改善合法接收者的檢測(cè)性能；人工噪聲為無(wú)益噪聲時(shí)，則利用波束賦形使其處于合法信道零空間，人工噪聲不對(duì)合法接收者產(chǎn)生干擾。接著，結(jié)合特定的BPSK和QPSK調(diào)制方式，給出是否有益的判別規(guī)則，分析對(duì)應(yīng)的誤比特率與保密容量。最后證明利用有益的人工噪聲，相較于傳統(tǒng)的人工噪聲方案，提高了合法接收端的性能，改善保密容量，從而提高物理層安全。文獻(xiàn)[10]在竊聽(tīng)存在多路輸入輸出系統(tǒng)中，SC表示與接收端天線選擇結(jié)合，MRC表示與接收端接收最大信噪比的天線結(jié)合，提出并分析結(jié)合發(fā)送端天線選擇(TAS)和接收端廣義選擇(GSC)的方案。首先，在發(fā)送端選擇狀態(tài)最強(qiáng)的天線發(fā)送信號(hào)，而接收端選擇部分天線按一定的規(guī)則接收信號(hào)；然后，推出新的準(zhǔn)確的漸近保密中斷概率表達(dá)式并仿真分析；最后，TAS/GSC與TAS/SC和TAS/MRC相比較，證明得到最大的保密中斷分集增益。

文獻(xiàn)[11]研究最優(yōu)中繼選擇，這里的最優(yōu)中繼參加轉(zhuǎn)發(fā)，文中沒(méi)有考慮竊聽(tīng)者，信息傳送有2個(gè)路徑：直接鏈路和經(jīng)過(guò)最優(yōu)中繼的間接鏈路。選擇在目的節(jié)點(diǎn)接收信噪比最高的中繼作為最優(yōu)中繼，然后得出攔截概率表達(dá)式和平均信道容量等。仿真結(jié)果表明最優(yōu)中繼選擇方案節(jié)省了大量資源，且能維持系統(tǒng)的多樣性。最優(yōu)中繼選擇是最一般情況，文獻(xiàn)[12-13]在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，提出在無(wú)線通信系統(tǒng)中第N佳中繼選擇方案，推出攔截概率表達(dá)式和平均信道容量，分析可知隨著N的增大，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能下降，文獻(xiàn)沒(méi)有應(yīng)用在物理層安全上。然而本文在基于物理層安全研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合上面提到的選擇方式，對(duì)有竊聽(tīng)的無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)送端用戶進(jìn)行選擇。與傳統(tǒng)的選擇最佳的用戶來(lái)發(fā)送信息不同，本文考慮在某些情況下，最佳的用戶可能不可用，如一些規(guī)則或負(fù)載平衡問(wèn)題，在這種情況下可以使用第二佳的用戶或更一般的第m佳的用戶。因此，本文的主要目的是提出在竊聽(tīng)存在的無(wú)線通信系統(tǒng)中調(diào)度第m佳用戶來(lái)發(fā)送信息，并對(duì)提出的用戶調(diào)度方式進(jìn)行一個(gè)完整的分析。當(dāng)m=1，就是選擇最佳用戶，選擇最佳用戶是其中的一個(gè)特例。

2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)是由M個(gè)源節(jié)點(diǎn)(Sources， S)(合法發(fā)送端)、一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)(Destination， D)(合法接收端)和一個(gè)竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)(Eavesdropper， E)(非法接收端)構(gòu)成。合法發(fā)送端、合法接收端和非法接收端都是單天線的。選擇一個(gè)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，但是有時(shí)候最佳的源節(jié)點(diǎn)被占用或者其他原因不能選擇最佳源節(jié)點(diǎn)時(shí)，只能考慮選擇第m佳的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，此時(shí)竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)企圖利用源節(jié)點(diǎn)的傳送來(lái)竊取信息，從而產(chǎn)生安全問(wèn)題。也可以有m=1，它是選擇最佳源節(jié)點(diǎn)時(shí)的情況，是本文的一個(gè)特例。

圖1 無(wú)線通信網(wǎng)物理層安全節(jié)點(diǎn)調(diào)度

(1)

(2)

根據(jù)參考文獻(xiàn)可知，系統(tǒng)的安全信道容量為：

(3)

(4)

(5)

3 安全的中斷概率分析

根據(jù)第2節(jié)對(duì)系統(tǒng)模型的分析，可得系統(tǒng)的安全中斷概率表達(dá)式為：

(6)

(7)

(8)

由上可知，選擇第m佳源節(jié)點(diǎn)時(shí)，合法用戶處的累積分布函數(shù)(CDF)為：

(9)

竊聽(tīng)用戶處概率密度函數(shù)為：

（3）中期 在肝衰竭早期表現(xiàn)基礎(chǔ)上，病情進(jìn)一步發(fā)展，ALT和（或）AST快速下降，TBil持續(xù)上升，出血表現(xiàn)明顯（出血點(diǎn)或瘀斑），20%＜PTA≤30%（或 1.9≤INR＜2.6），伴有 1 項(xiàng)并發(fā)癥和/或1個(gè)肝外器官功能衰竭。

(10)

將式(9)、式(10)帶入式 (7)得：

(11)

4 仿真結(jié)果及分析

本節(jié)借助MATLAB軟件進(jìn)行仿真。

4.1 信道信噪比

研究無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性能與信道信噪比之間的關(guān)系。首先令發(fā)送端用戶數(shù)目M=4，m的值代表信道性能第m佳的用戶，并且與隨機(jī)選擇用戶發(fā)送信息相比較。圖2令γse=5 dB保持不變，主信道信噪比由0～25 dB變化；圖3令γsd=15 dB保持不變，竊聽(tīng)信道信噪比從-5～10 dB變化。仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 安全中斷概率與主信道SNR之間的關(guān)系

圖3 安全中斷概率與竊聽(tīng)信道SNR之間的關(guān)系

從圖2和圖3可以得到如下的結(jié)論：① 隨著m的增大，安全中斷概率也上升，說(shuō)明仿真結(jié)果符合理論分析，最佳用戶安全性最好；② 竊聽(tīng)信道信噪比不變，當(dāng)主信道信噪比大于15 dB時(shí)，隨機(jī)選擇發(fā)送端用戶較選擇第m佳用戶得到的中斷概率大，系統(tǒng)的安全性就低；并且隨著發(fā)送端到合法接收端之間的信道的信噪比增加，系統(tǒng)中斷概率會(huì)變小，系統(tǒng)的安全性能升高，通過(guò)這種方式可以有效提高系統(tǒng)的安全性能；③ 主信道的信噪比不變，當(dāng)竊聽(tīng)信道信噪比小于5 dB時(shí)，隨機(jī)選擇發(fā)送端用戶較選擇第m佳用戶得到的中斷概率大，系統(tǒng)的安全性就低；并且隨著發(fā)送端到竊聽(tīng)用戶之間信道的信噪比增加，系統(tǒng)中斷概率變大，系統(tǒng)的安全性能降低，要提高系統(tǒng)的安全性能時(shí)可以考慮降低發(fā)送端到竊聽(tīng)用戶之間的信道的信噪比。

4.2 安全的傳輸速率

圖4 安全中斷概率與安全的傳輸速率之間的關(guān)系

從圖4可以得到如下的結(jié)論：① 隨著m的增大，安全的中斷概率也上升，說(shuō)明仿真結(jié)果符合理論分析，最佳用戶安全效率最好；② 當(dāng)合法用戶與竊聽(tīng)用戶的信噪比都不變，當(dāng)Rs小于2.5時(shí)，隨機(jī)選擇發(fā)送端用戶較選擇第m佳用戶得到的中斷概率大，系統(tǒng)的安全性就低；同時(shí)安全的中斷概率隨著安全信息速度的增加而上升，即系統(tǒng)的安全性能降低。

4.3 發(fā)送端用戶數(shù)目

研究無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性能與發(fā)送端用戶數(shù)目之間的關(guān)系，假設(shè)發(fā)送端數(shù)目M從2～6戶，每次選擇第2佳的用戶，固定主信道的信噪比和竊聽(tīng)信道的信噪比都不變，并且與隨機(jī)選擇用戶發(fā)送信息相比較。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 安全中斷概率與發(fā)送端用戶數(shù)目的關(guān)系

從圖5可得到以下結(jié)論：隨著發(fā)送端用戶數(shù)目增加(M=2到M=6)，中斷概率減小，系統(tǒng)的安全性能提高。而隨機(jī)選擇用戶的中斷概率不隨發(fā)送端用戶數(shù)目變化而變化。當(dāng)發(fā)送端用戶數(shù)量等于2時(shí)，選擇其第二佳用戶就是選擇最差的用戶，相較于隨機(jī)選擇用戶得到的安全中斷概率大，系統(tǒng)的安全性就低；當(dāng)發(fā)送端用戶大于2時(shí)，選擇第2佳用戶較隨機(jī)選擇發(fā)送端用戶得到的安全中斷概率小，系統(tǒng)的安全性就高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從基于無(wú)線通信的物理層安全的角度出發(fā)，利用信道差異來(lái)實(shí)現(xiàn)物理層信息的安全傳輸。首先提出一種無(wú)線通信物理層安全的系統(tǒng)模型，即當(dāng)發(fā)送端有多個(gè)用戶(M)時(shí)，選擇第m佳的用戶來(lái)發(fā)送信息，根據(jù)提出的模型推出了相應(yīng)的安全中斷概率密表達(dá)式，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析出安全中斷概率與信道信噪比、安全的傳輸速率以及發(fā)送端用戶數(shù)目之間的關(guān)系。最后可知，當(dāng)固定其他條件不變，主信道信噪比增加、竊聽(tīng)信道信噪比減少、安全傳輸速率變小和發(fā)送端用戶增加都能使安全中斷概率減小，使系統(tǒng)的安全性能提高，所以可以改變這幾個(gè)因素來(lái)加強(qiáng)無(wú)線通信網(wǎng)的安全。另外，本文的選擇方案相對(duì)隨機(jī)選擇發(fā)送端的用戶有顯著的優(yōu)點(diǎn)，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。

[1] Zou Y,Zhu J, Wang X,et al. Improving Physical-layer Security in Wireless Communications Using Diversity Techniques[J]. IEEE Netw.,2015,29(1):42-48.

[2] Liu R,Trappe W. Securing Wireless Communications at the Physical Layer[M].New York,NY: Springer Verlag,2010.

[3] Zou Y,Wang X,Shen W. Physical-layer Security with Multiuser Scheduling in Cognitive Radio Networks[J]. IEEE Trans. Commun.,2013,61(12):5103-5113.

[4] Wyner A D. The Wire-tap Channel[J]. Bell Syst. Tech. J.,1975,54(8):1355-1387.

[5] Leung-Yan-Cheong S K,Hellman M E. The Gaussian Wiretap channel[J]. IEEE Trans. Inf. Theory,1978,24(4):451-456.

[6] Maurer U M. Secret Key Agreement by Public Discussion from Common Information[J]. IEEE Trans.Inf.Theory,1993,IT-39 (3): 733-742.

[7] 張燕，岳殿武.具有天線選擇與中繼選擇的空間調(diào)制技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2015，55(1):7-12.

[8] 鄒玉龍，蔣元.聯(lián)合多用戶調(diào)度與協(xié)作干擾選擇的無(wú)線物理層安全研究[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2015，30(4):766-773.

[9] 雷維嘉，林秀珍，楊小燕，等.利用人工噪聲提高合法接收者性能的物理層安全方案[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2016，38(11):2887-2892.

[10]Yang N,Yeoh P L,Elkashlan M,et al.MIMO Wiretap Channels: A Secure Transmission Using Transmit Antenna Selection and Receive Generalized Selection Combining[J].IEEE Commun.,Lett.,2013,17(9):1754-1757.

[11]Ikki S,Ahmed M H.Performance Analysis of Adaptive Decode-and-Forward Cooperative Diversity Networks With The Best Relay Selection[J].Submitted to IEEE Trans. on Commun. ,2010,58(1):68-72.

[12]Ikki S S,Ahmed M H. On the Performance of Adaptive Decode-and-Forward Cooperative Diversity with the Nth Best-Relay Selection Scheme[C]∥GLOBECOM 2009-2009 IEEE Global Telecommunications Conference,2009:1-6.

[13]Ikki S S,Ahmed M H. On the Performance of Cooperative-diversity Networks with the Nth Best Relay Selection Scheme[J].IEEE Trans.Commun.,2010,58(11):3062-3069.

[14]Vaughan R J,Venables W N. Permanent Expressions for Order Statistics Densities[J].J. Roy. Statist. Soc. Ser. B,1972 ,34 (2) :308-310.

Analysis on Security Performance of themthBest-user Scheduling in Wireless Communication Network

FENG You-hong ,WANG Qi-meng ,YUE Xue-feng ,YANG Zhi

(College of Physics and Electronic Information,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241000,China)

In view of security issues of wireless communication system caused by multiple users (M) at sending end and eavesdroppers,on the basis of the optimal user to be selected,this paper proposes the scheme of select the mthbest-user for information transmitting. Based the proposed model idea,the expressions of secrecy outage probability is derived in this scheme. Through the simulation experiment,the relation between secrecy outage probability and channel signal-noise-ratio,secure transmission rate as well as number of users at sending end. The simulation results show that (1) when the other conditions are constant,the increased signal-to-noise ratio of the main channel,decreased signal-to-noise ratio of the eavesdropping channel and security transmission rate as well as increased source nodes all can reduce the secrecy outage probability and improve the security performance of the system. (2) The simulation results are consistent with the theoretical analysis. With the decrease ofm,the secrecy outage probability decreases,and the security performance of the system gets better. When the best user is selected,the secrecy outage probability of system is the smallest and the security performance is the best. (3) The scheme has the advantages compared with random selection of the user at the source nodes,which reduces the secrecy outage probability of communication system and effectively improves the communication security of system.

wireless communication network; physical layer security; secrecy outage probability; themthbest-user scheduling

2017-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (U1334210)；江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX15_0833)

馮友宏(1979—),男，副教授，主要研究方向:無(wú)線通信、物理層安全。王啟蒙(1993—)，女，碩士研究生，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)，主要研究方向：物理層安全。

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.05.02

馮友宏,王啟蒙,岳雪峰,等. 無(wú)線通信網(wǎng)第m佳用戶調(diào)度安全性能分析[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(5): 06-10.

[FENG Youhong ,WANG Qimeng ,YUE Xuefeng,et al. Analysis on Security Performance of themthBest-user Scheduling in Wireless Communication Network [J]. Radio Communications Technology,2017,43(5): 06-10. ]

TP391.4

A

1003-3114(2017)05-06-5