基于能量收集和人工加擾的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)安全中斷性能分析*

蔡 靜，賀玉成，周 林

（華僑大學(xué)廈門市移動多媒體通信重點實驗室，福建 廈門 361021）

0 引 言

近年來，手機(jī)等電子產(chǎn)品的使用逐漸增加，無線電頻譜資源的需求也隨之增加，這導(dǎo)致了無線頻譜的急劇稀缺。然而，根據(jù)聯(lián)邦通信委員會提供的信息，某些頻段的利用率在3 GHz以下的頻段低至15%，導(dǎo)致頻譜利用率嚴(yán)重不足。然而認(rèn)知無線電已經(jīng)發(fā)展成為一個潛在的解決方案，以克服頻譜稀缺和頻譜利用率不足的問題[1］。底層頻譜共享是一種潛在的技術(shù)，用于接入主用戶（PU）的授權(quán)頻譜，而不會降低PU的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。在底層方法中，次級用戶（SU）在訪問PU使用的授權(quán)頻段的同時，會對PU造成不必要的干擾，所以SU的功率必須保持在由PU規(guī)定的閾值限制以內(nèi)[2］。這限制了SU的性能，而這種受限制的SU傳輸功率可能會減少網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

協(xié)同中繼技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)性能、增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的潛在技術(shù)之一。文獻(xiàn)[3-4］研究了通過中繼輔助目的節(jié)點，將認(rèn)知無線電與協(xié)作分集相結(jié)合來提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。任何無線中繼網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能都受到中繼能量的限制，在許多實際情況下，不可能定期更換中繼電池等能源。近年來，能量采集技術(shù)(EH)逐漸成為一種有效的解決方案，為中繼等能量約束節(jié)點提供能量。在EH過程中，能量可以從外部非射頻源 (如風(fēng)能、太陽能和振動能量)中被回收并儲存起來供以后使用[5］。在文獻(xiàn)[6］中引入了從射頻源獲取能量的兩種EH方法，即時間切換（Time Switching）和功率分配(Power Splitting)。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[7］研究了基于時間切換的中繼(TSR)協(xié)議和基于功率分配的中繼(PSR)協(xié)議。在時間切換中繼協(xié)議(TSR)中，中繼利用總時隙的一部分從射頻傳輸中獲取能量，其余部分用于信息處理和傳輸。在PSR中，中繼從總接收功率的一部分獲取能量，而剩余的功率用于信息解碼和傳輸。在文獻(xiàn)[8］中，提出了一種基于認(rèn)知中繼網(wǎng)絡(luò)的EH協(xié)議，分析了系統(tǒng)的中斷概率和吞吐量。在本文中的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)DF TSR中繼僅從SU傳輸中獲取能量。

然而，在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，由于無線傳輸?shù)幕緩V播特性，當(dāng)信息通過源或協(xié)作中繼傳輸時，信息可能會被竊聽者竊取，因此提升系統(tǒng)的物理層安全(PHY)是近年來的研究熱點。物理層安全是利用無線信道的物理層特性，不使用任何密鑰和復(fù)雜的算法來防止竊聽者被動竊聽的一種新范式[9］。PHY安全的理論基礎(chǔ)是由Wyner設(shè)計的，他引入了竊聽信道，發(fā)射機(jī)想要在竊聽者的存在下向接收機(jī)發(fā)送機(jī)密信息，竊聽者試圖通過竊聽信道來窺探機(jī)密信息[10］。

我們認(rèn)為當(dāng)中繼鏈路容量滿足目標(biāo)數(shù)據(jù)速率時，DF中繼能夠?qū)π旁葱畔⑦M(jìn)行解碼。此外，在中繼成功解碼的情況下，目的節(jié)點將通過直接鏈路接收到的信號與中繼鏈路接收到的信號進(jìn)行最大比例合并(MRC，Maximal Ratio)技術(shù)進(jìn)行組合。文獻(xiàn)[11］在兩跳DF中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中沒有直接鏈路的情況下研究了在竊聽端采用不同合并技術(shù)時系統(tǒng)的物理層安全。文獻(xiàn)[12］表明，在一般的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，不考慮認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的情況下，直接鏈路的存在對增強(qiáng)PHY層安全性有顯著影響。

近年來，利用人工加擾信號提高安全性能已成為物理層安全領(lǐng)域的研究熱點。協(xié)同干擾[13］已成為提高無線網(wǎng)絡(luò)保密能力的有效解決方案。文獻(xiàn)[14］介紹了在多個竊聽者存在的情況下用于物理層安全的中繼保護(hù)和干擾的機(jī)制和組成。在文獻(xiàn)[15］中，消息信號與干擾信號同時從源和中繼發(fā)射，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)墓β史峙?。文獻(xiàn)[16］研究了使用直接鏈路來改善認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的安全性能，但沒有考慮EH和干擾問題。

因此，考慮直接鏈路的存在，分析EH DF中繼輔助CR網(wǎng)絡(luò)通信是必要的，這也是本文研究的重點。我們考慮在底層模式下CR網(wǎng)絡(luò)的兩跳通信，存在一個竊聽節(jié)點，能量采集DF中繼采用TSR方案工作。本文中的信源節(jié)點和EH中繼在分別發(fā)送干擾信號的同時發(fā)送消息信號，從而降低竊聽的容量。在此基礎(chǔ)上，提出了一種在信源節(jié)點和中繼節(jié)點的功率分配策略，實現(xiàn)了在這種環(huán)境下的干擾信號和消息信號的同步發(fā)送。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，系統(tǒng)包括兩個網(wǎng)絡(luò)：SU網(wǎng)絡(luò)和PU網(wǎng)絡(luò)，SU包括三個節(jié)點：一個信源節(jié)點（SU_Tx），一個目的節(jié)點（SU_Rx），一個EH DF中繼；PU包括一個發(fā)射機(jī)（PU_Tx，遠(yuǎn)離SU網(wǎng)絡(luò)，未在圖中標(biāo)識），一個接收機(jī)（PU_Rx）。PU_Tx對SU的干擾可忽略，存在一個竊聽節(jié)點被動竊聽SU_Tx和中繼發(fā)出的信號。每個節(jié)點配置單天線且工作于半雙工模式。在實際情況下，如果信源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點距離不太遠(yuǎn)，或者目標(biāo)節(jié)點沒有被大量陰影覆蓋，那么直接鏈路(即源節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間的鏈路)是可用的。如果中繼成功解碼信源信息，目的節(jié)點接收到兩個包含信源信息的信號，最后通過最大比合并（MRC）提取信息。

為了降低竊聽信道質(zhì)量，信源節(jié)點和中繼節(jié)點向E發(fā)送人工加擾，我們假設(shè)中繼和目的節(jié)點對加擾信號有先驗信息。因此，SU可以在不干擾合法節(jié)點的基礎(chǔ)上混淆竊聽，因為加擾信號可以在各個合法節(jié)點處消除。

圖1 系統(tǒng)模型

通信分為兩個時隙進(jìn)行，第一時隙為廣播階段，信源向中繼和目的端發(fā)射信號，同時向E發(fā)送人工加擾信號；第二時隙為轉(zhuǎn)發(fā)階段，中繼向目的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)之前接收到的信號（如果成功解碼），同時向E發(fā)送人工加擾信號。E可以竊聽兩個時隙的信號。

我們假設(shè)中繼是個EH節(jié)點，并且只從SU傳輸中采集能量，沒有其他外部能源，中繼利用采集的能源同時發(fā)射信號和人工加擾。中繼采用TSR策略采集能量，假設(shè)一個信息傳輸?shù)目倳r間為T，αT(0＜α＜1)用于能量采集，(1-α)T/2 用于傳輸消息信號，(1-α)T/2用于發(fā)射人工加擾信號。

由于系統(tǒng)模型工作于底層模式，信源節(jié)點和中繼的發(fā)射功率應(yīng)該不超過PU_Rx預(yù)設(shè)的噪聲閾值Ith，假設(shè)信源和中繼的總發(fā)射功率分別為PS和PR,其中βPS和βPR用來傳輸消息，(1-β)PS和 (1-β)PR用來發(fā)送人工干擾信號，假設(shè)信源和中繼的功率分配因子β是相等的，這種假設(shè)是合理的，因為我們假設(shè)信源節(jié)點和竊聽節(jié)點間的信道以及中繼節(jié)點和竊聽節(jié)點間的信道是獨立同分布（i.i.d）的。

假定所有的信道服從獨立同分布的瑞利衰落信道， 其 中 均 值 為 零、 方 差 為 1，hi～CN(0,1)，i∈{sr,rd,sd,sp,rp}，對應(yīng)的信道增益gi=|hi|2，i∈ {sr,rd,sd,sp,rp}，gi服從指數(shù)分布且E[gi］=1。兩個竊聽信道增益gi=|hi|2，i∈{se,re}也服從指數(shù)分布，均值為0.5，因為我們假設(shè)竊聽節(jié)點E較合法節(jié)點來說相對距離遠(yuǎn)一些。

2 性能分析

2.1 功率分配

第一時隙，信源發(fā)出的信號表示為：

式中，s是信源信息，j是人工加擾信號，其功率為1。PS為發(fā)射功率，β(0＜β＜1)是功率分配因子，用來分配消息傳輸?shù)墓β屎腿斯ぜ訑_傳輸?shù)墓β?。目的?jié)點、中繼節(jié)點和竊聽節(jié)點的接收信號可表示為：

式中，nsi,i∈{d,r,e}是高斯白噪聲（AWGN），均值為零，方差為σ2。在中繼和目的節(jié)點處人工加擾信號先驗已知，所以式（2）中的第二項可被接收端完全移除。同樣地，在第二時隙，中繼發(fā)出的信號可以表示為：

式中，Pr是中繼的發(fā)射功率，β(0＜β＜1)是功率分配因子。如果中繼鏈路滿足目標(biāo)數(shù)據(jù)速率則可成功解碼信源消息，目的節(jié)點和E在第二時隙的接收信號可表示為：

式中，nri,i∈{d,e}是高斯白噪聲，均值為零，方差為σ2。目的節(jié)點先驗已知人工加擾信號，故可將其移除。EH中繼節(jié)點采集能量的表達(dá)式為：

式中，η(0＜η＜1)表示能量轉(zhuǎn)換效率，它取決于EH電路，中繼只從SU傳輸中采集能量。所以中繼可以利用收集的能量用于兩個時隙的消息傳輸，每個時隙即(1-α)T/2的發(fā)射功率表示為：

由于CRN中發(fā)射功率受PU設(shè)定的噪聲閾值Ith限制，因此信源節(jié)點和中繼節(jié)點的發(fā)射功率應(yīng)表示為：

這里需要注意的是，信源和中繼不能同時傳輸。假設(shè)在PU接收端干擾鏈路（gsp，grp）的CSI已知，βPS和βPR用來傳輸信號，(1-β)PS和 (1-β)PR用來發(fā)送人工加擾信號混淆E的竊聽。然而中繼節(jié)點和目的節(jié)點對人工加擾信號先驗已知，所以他們可把人工加擾信號完全移除。

2.2 中斷概率分析

在系統(tǒng)模型中，DF中繼只有在S→R鏈路不中斷的情況下才可解碼信源信息。當(dāng)中繼成功解碼信息后，目的節(jié)點會接收到兩個包含信源信息的信號，一個來自DF中繼轉(zhuǎn)發(fā)，另一個來自直接鏈路。目的節(jié)點通過MRC策略合并兩個信號。中繼處能成功解碼信源信息的概率，即中繼鏈路的信道容量Csr超過目標(biāo)數(shù)據(jù)速率Rth，表達(dá)式為：

式 中，γsr=βPSgsr/σ2，Λ=(22Rth-1)σ2，σ2是 每 個節(jié)點 AWGN 的方差，F(xiàn)gsr/gsp(Λ/βΙth)是gsr/gsp的累積分布函數(shù)（CDF）。中繼解碼失敗的概率可表示為：

如果中繼成功解碼信源信息，目的節(jié)點采用MRC合并接收到的兩個信號。假設(shè)直接鏈路CSI已知且無陰影效應(yīng)，則采用MRC技術(shù)在SU_Rx上的瞬時信干噪比（SNR）可以表達(dá)為：

同樣地，在竊聽節(jié)點E采用MRC技術(shù)的瞬時SNR可表示為：

中繼成功解碼信源消息時相應(yīng)的主信道容量可被計算為：

式中，(1-α)/2是因為EH中繼發(fā)射信號時間占總時間T的(1-α)/2。竊聽信道容量可被計算為：

由文獻(xiàn)[15］可知安全容量的表達(dá)式為：

式中，[x］+=max{x,0}。CS是主信道容量，Ce是竊聽信道容量。當(dāng)中繼成功解碼信源信息時，CS=CSsuc，Ce=Cesuc。系統(tǒng)的安全中斷概率定義為安全容量CS小于預(yù)設(shè)目標(biāo)安全速率RS[17］：

當(dāng)中繼成功解碼信源信息時，SOP表達(dá)式如式（16）所示：

如果中繼解碼信息失敗，目的節(jié)點只能從直接鏈路中獲得信源信息，因此，目的節(jié)點的瞬時SNR表示為：

同樣地，竊聽節(jié)點處的瞬時SNR表達(dá)式為：

因此可以計算直接鏈路的瞬時信道容量：

竊聽信道在中繼解碼失敗時的瞬時SNR為：

根據(jù)式（15）可得中繼解碼信息失敗時的SOP可表示為：

3 性能仿真

在瑞利衰落信道中，針對能量收集人工加擾中繼的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型在不同的能量采集時間α，功率分配因子β，干擾閾值Ith，目標(biāo)數(shù)據(jù)速率Rth和目標(biāo)速率RS下進(jìn)行MATLAB仿真，對上述理論分析結(jié)果進(jìn)行驗證。

在數(shù)值仿真中，設(shè)置能量轉(zhuǎn)換效率η=0.9，目標(biāo)速率RS=0.3 bps/Hz，兩個節(jié)點間的距離為1，竊聽信道參數(shù)為0.5。

圖2給出了在幾個不同干擾閾值Ith下，SOP隨著功率分配因子β的變化曲線。圖2中設(shè)置α=0.2，Rth=1。最初，β的增加導(dǎo)致S和R的功率增加，所以SOP隨之降低，β數(shù)值越大表明分配給消息傳輸?shù)墓β试酱?，分配給人工加擾的功率越小。隨著的β的緩慢增加，SOP到達(dá)最小值，進(jìn)一步增加β，分配給消息傳輸?shù)墓β蔬^大，而分配給人工加擾的功率太少，SOP又開始增大。圖2中還描述了干擾閾值Ith對SOP的影響，當(dāng)Ith較大時，表明底層模式下，S和EH中繼被允許的發(fā)射功率較高，提升了主信道質(zhì)量，降低了SOP。

圖3給出了在幾個不同干擾閾值Ith下，SOP隨著能量采集時間α的變化曲線。圖3中設(shè)置β=0.5，Rth=1。CRN工作于底層模式，所以S和R的發(fā)射功率受PU_Rx的干擾閾值約束。當(dāng)α增加時，中繼采集能量增加，但由于功率受到約束，S和中繼的功率不會一直增加，導(dǎo)致主信道容量的降低和SOP的增大。此外，增大α，中繼的能量采集時間會增大，消息傳輸時間縮短，這也促使了安全容量的減少和SOP的增大。

圖2 不同干擾閾值Ith情況下功率分配因子β對SOP的影響

圖3 不同干擾閾值Ith情況下能量采集時間α的SOP的影響

圖4 給出了在幾個不同目標(biāo)安全速率RS下，SOP隨著功率分配因子β的變化曲線。圖4中設(shè)置α=0.2，β=0.5，Ith=10W，Rth=1。如果增加RS，則安全容量低于目標(biāo)安全速率的概率增加，導(dǎo)致SOP逐漸增加。

圖5給出有無直接鏈路情況下，SOP隨著功率分配因子β的變化曲線。圖5中設(shè)置α=0.2，Rth=1。從圖5中可以看出，與忽略直接鏈路相比，考慮直接鏈路可以獲得更好的安全性能。這是因為考慮直接鏈路時，目的節(jié)點接收到兩條包含信源消息的信號:一個來自EH中繼，另一個來自S，通過MRC策略合并兩個信號，從而增加的信道容量，降低了SOP。如果我們忽略了直接鏈路，目的節(jié)點只有在中繼成功解碼后才可以獲得消息信號，從而降低了主通道容量，導(dǎo)致SOP增加。功率分配因子的對SOP的影響可以參照圖2來解釋。

圖4 不同目標(biāo)速率RS情況下功率分配因子β對SOP的影響

圖5 有無直接鏈路情況下功率分配因子β對SOP的影響

圖6 給出了幾個不同干擾閾值Ith下，目標(biāo)數(shù)據(jù)速率Rth對SOP的影響。設(shè)置α=0.2，β=0.5，RS=0.3。從圖6中可以看出，當(dāng)Rth值較小時，安全性能更好。隨著Rth的增加，中繼處的消息信號成功解碼的概率減小，從而降低了目的地通過中繼鏈路獲取信源消息的機(jī)會。因此，目的地只能通過直接鏈路接收到一條消息，而不是從中繼和直接鏈路接收到兩條消息，從而降低了主通道容量，導(dǎo)致SOP增加。干擾閾值Ith對SOP的影響如圖6所示。當(dāng)Ith較大時，允許S和EH中繼在底層模式下CRN中傳輸功率增加，從而增加了主信道容量，降低了SOP。

圖6 不同干擾閾值Ith情況下目標(biāo)數(shù)據(jù)速率Rth對SOP的影響

4 結(jié) 語

本文分析了基于能量采集DF中繼的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)下的安全中斷概率性能。提出了一種新的加擾方案，該方案采用有效的功率分配策略，在底層認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，信源節(jié)點和EH中繼可以分別在不同時隙同時發(fā)送消息信號和干擾信號。分析了直接鏈路對該網(wǎng)絡(luò)的SOP性能的影響，結(jié)果表明忽略直接鏈路會導(dǎo)致安全性能下降。SOP隨著功率分配因子β的增加而先減后增。本文還分析了干擾閾值Ith和目標(biāo)數(shù)據(jù)速率Rth對網(wǎng)絡(luò)SOP的影響。從物理層安全的角度分析了EH認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的安全性能，對提高EH認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的安全性有一定的參考價值。