無線通信網第m佳用戶調度安全性能分析

馮友宏，王啟蒙，岳雪峰，楊 志

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖241000)

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無線通信網第m佳用戶調度安全性能分析

馮友宏，王啟蒙，岳雪峰，楊 志

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖241000)

針對發送端有多個用戶(M)并且存在竊聽者的無線通信系統的安全問題，在最優用戶選擇的基礎上，提出選擇第m佳的用戶來發送信息，根據提出的模型思想進一步推出該方案下的安全中斷概率表達式，最后通過仿真實驗來分析安全中斷概率與信道信噪比、安全傳輸速率以及發送端用戶數目之間的關系。仿真結果表明：① 當固定其他條件不變，主信道信噪比增加、竊聽信道信噪比減少、安全傳輸速率變小和發送端用戶增加都能使安全中斷概率減小，使系統的安全性能提高；② 仿真結果與理論分析一致，隨著m的減小，安全中斷概率減小，系統的安全性能變好，當選擇最佳的用戶時，系統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隨機選擇發送端的用戶有顯著的優點，降低了通信系統的安全中斷概率，有效提高了系統的通信安全。

無線通信網；物理層安全；安全中斷概率；第m佳用戶調度

0 引言

傳統的保護無線網絡的研究是以密碼學為基礎的相關加密技術，然而隨著科技的發展，上層加密技術的缺點就顯露出來：計算機技術的發展首先使信息變得容易被竊聽；其次，它的發展讓上層加密技術的密鑰管理和分配更加復雜，加密過程更加困難。因此，更多研究人員開始研究無需密鑰協商的安全方案，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保證信息安全傳輸。對物理層安全的研究可追溯到1948 年香農(Shannon)提出的一般意義上的加密模型。

信息通過密鑰加密后進行傳輸，竊聽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，而竊聽端沒有密鑰，無法解密出原來的信息。Wyner在上世紀70 年代提出了wiretap 信道模型并給出了香農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)比竊聽信道有容量優勢，但近幾年的理論及技術的發展突破了這個要求。

1 相關研究

物理層安全技術的研究發展迅速，在文獻[4-5]中證明了信道中存在竊聽者的情況下，當發送節點與目的節點的之間的信道(合法用戶信道)性能優于發送節點與竊聽節點之間的信道(竊聽信道)性能時，發送節點可以安全地與目的節點進行通信。在文獻[6]中證明了即使在合法用戶信道比竊聽者信道差的情況下，信息依然可以進行安全傳輸。協作中繼技術(Cooperative Relay，CR)作為一個研究方向帶來了一系列成果，協作中繼技術是利用系統中的中繼節點或者其他的輔助節點來協助數據傳輸技術，能夠有效地抵御無線信道的衰落。選擇技術包含用戶調度和天線選擇。用戶調度是指當有多個用戶存在時，選擇合適的用戶來發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有力的信號處理技術,在保證系統性能的同時降低系統復雜度以及實施成本。人工噪聲在發射端添加適當的人工噪聲，以犧牲部分發射功率為代價，可人為增大竊聽者與合法接收者之間的信道質量差距。因此，即便合法接收者的信道噪聲強于竊聽者，安全傳輸仍然可能實現。

文獻[7]提出了有天線選擇空間調制方案和中繼選擇空間調制方案結合的空間調制系統方案。在多路輸入輸出系統中，針對空間調制技術存在的欠缺，選擇發送端信道狀態最強的天線進行空間調制。進一步把該思想引入協作通信網，該方案能提升系統性能，且使系統配置更加靈活。文獻[8]對于一個多用戶無線網絡，將多用戶調度與協作干擾技術有機結合，對Round-robin、Suboptimal與Optimal這3用戶調度策略在不加協作干擾情景與附加協作干擾情景進行理論與仿真分析，最后證明 Optimal用戶調度策略相對于其他用戶調度策略具有最佳的安全性能，而Suboptimal用戶調度策略也具有較好的安全性能，且Round-robin用戶調度策略的安全性能最差。最后還證明聯合方案的安全性能高于僅采用多用戶調度的方案。文獻[9]提出了一種人工噪聲新方案。對于未知竊聽信道狀態的多輸入單輸出系統，首先，在發送端既考慮合法信道的狀態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，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性能；人工噪聲為無益噪聲時，則利用波束賦形使其處于合法信道零空間，人工噪聲不對合法接收者產生干擾。接著，結合特定的BPSK和QPSK調制方式，給出是否有益的判別規則，分析對應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[10]在竊聽存在多路輸入輸出系統中，SC表示與接收端天線選擇結合，MRC表示與接收端接收最大信噪比的天線結合，提出并分析結合發送端天線選擇(TAS)和接收端廣義選擇(GSC)的方案。首先，在發送端選擇狀態最強的天線發送信號，而接收端選擇部分天線按一定的規則接收信號；然后，推出新的準確的漸近保密中斷概率表達式并仿真分析；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[11]研究最優中繼選擇，這里的最優中繼參加轉發，文中沒有考慮竊聽者，信息傳送有2個路徑：直接鏈路和經過最優中繼的間接鏈路。選擇在目的節點接收信噪比最高的中繼作為最優中繼，然后得出攔截概率表達式和平均信道容量等。仿真結果表明最優中繼選擇方案節省了大量資源，且能維持系統的多樣性。最優中繼選擇是最一般情況，文獻[12-13]在文獻[11]的基礎上，提出在無線通信系統中第N佳中繼選擇方案，推出攔截概率表達式和平均信道容量，分析可知隨著N的增大，系統的各項性能下降，文獻沒有應用在物理層安全上。然而本文在基于物理層安全研究的基礎上，結合上面提到的選擇方式，對有竊聽的無線通信系統發送端用戶進行選擇。與傳統的選擇最佳的用戶來發送信息不同，本文考慮在某些情況下，最佳的用戶可能不可用，如一些規則或負載平衡問題，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存在的無線通信系統中調度第m佳用戶來發送信息，并對提出的用戶調度方式進行一個完整的分析。當m=1，就是選擇最佳用戶，選擇最佳用戶是其中的一個特例。

2 系統模型

系統如圖1所示，該系統是由M個源節點(Sources， S)(合法發送端)、一個目的節點(Destination， D)(合法接收端)和一個竊聽節點(Eavesdropper， E)(非法接收端)構成。合法發送端、合法接收端和非法接收端都是單天線的。選擇一個源節點向目的節點發送信息，但是有時候最佳的源節點被占用或者其他原因不能選擇最佳源節點時，只能考慮選擇第m佳的源節點發送信息，此時竊聽節點企圖利用源節點的傳送來竊取信息，從而產生安全問題。也可以有m=1，它是選擇最佳源節點時的情況，是本文的一個特例。

圖1 無線通信網物理層安全節點調度

(1)

(2)

根據參考文獻可知，系統的安全信道容量為：

(3)

(4)

(5)

3 安全的中斷概率分析

根據第2節對系統模型的分析，可得系統的安全中斷概率表達式為：

(6)

(7)

(8)

由上可知，選擇第m佳源節點時，合法用戶處的累積分布函數(CDF)為：

(9)

竊聽用戶處概率密度函數為：

（3）中期 在肝衰竭早期表現基礎上，病情進一步發展，ALT和（或）AST快速下降，TBil持續上升，出血表現明顯（出血點或瘀斑），20%＜PTA≤30%（或 1.9≤INR＜2.6），伴有 1 項并發癥和/或1個肝外器官功能衰竭。

(10)

將式(9)、式(10)帶入式 (7)得：

(11)

4 仿真結果及分析

本節借助MATLAB軟件進行仿真。

4.1 信道信噪比

研究無線通信系統的安全性能與信道信噪比之間的關系。首先令發送端用戶數目M=4，m的值代表信道性能第m佳的用戶，并且與隨機選擇用戶發送信息相比較。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，竊聽信道信噪比從-5～10 dB變化。仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2 安全中斷概率與主信道SNR之間的關系

圖3 安全中斷概率與竊聽信道SNR之間的關系

從圖2和圖3可以得到如下的結論：① 隨著m的增大，安全中斷概率也上升，說明仿真結果符合理論分析，最佳用戶安全性最好；② 竊聽信道信噪比不變，當主信道信噪比大于15 dB時，隨機選擇發送端用戶較選擇第m佳用戶得到的中斷概率大，系統的安全性就低；并且隨著發送端到合法接收端之間的信道的信噪比增加，系統中斷概率會變小，系統的安全性能升高，通過這種方式可以有效提高系統的安全性能；③ 主信道的信噪比不變，當竊聽信道信噪比小于5 dB時，隨機選擇發送端用戶較選擇第m佳用戶得到的中斷概率大，系統的安全性就低；并且隨著發送端到竊聽用戶之間信道的信噪比增加，系統中斷概率變大，系統的安全性能降低，要提高系統的安全性能時可以考慮降低發送端到竊聽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系

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

4.3 發送端用戶數目

研究無線通信系統的安全性能與發送端用戶數目之間的關系，假設發送端數目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信道的信噪比都不變，并且與隨機選擇用戶發送信息相比較。仿真結果如圖5所示。

圖5 安全中斷概率與發送端用戶數目的關系

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

5 結束語

本文從基于無線通信的物理層安全的角度出發，利用信道差異來實現物理層信息的安全傳輸。首先提出一種無線通信物理層安全的系統模型，即當發送端有多個用戶(M)時，選擇第m佳的用戶來發送信息，根據提出的模型推出了相應的安全中斷概率密表達式，通過仿真實驗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送端用戶數目之間的關系。最后可知，當固定其他條件不變，主信道信噪比增加、竊聽信道信噪比減少、安全傳輸速率變小和發送端用戶增加都能使安全中斷概率減小，使系統的安全性能提高，所以可以改變這幾個因素來加強無線通信網的安全。另外，本文的選擇方案相對隨機選擇發送端的用戶有顯著的優點，降低了通信系統的安全中斷概率，有效提高了系統的通信安全。

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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

國家自然科學基金項目 (U1334210)；江蘇省高校研究生科研創新計劃項目(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。王啟蒙(1993—)，女，碩士研究生，物聯網技術專業，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. 無線通信網第m佳用戶調度安全性能分析[J].無線電通信技術,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