非理想環境下基于廣義選擇合并策略的無線網絡系統模型構建

姚進 王建勇 王來志

摘要：基于物理層安全的研究逐漸成為無線網絡安全技術研究的重要方向，而協作策略、系統模型又是物理層安全研究的核心模塊，本文針對非理想信道環境，基于物理層安全理論初步分析了廣義選擇合并策略，并在此基礎上構建了無線網絡系統模型。

關鍵詞：非理想環境;廣義選擇合并策略;系統模型;物理層安全

中圖分類號：TN915.08?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）10-0068-02

1?概述

無線網絡安全機制研究一直是無線網絡技術研究的核心內容。如圖1所示為無線網絡協議棧架構，當今社會，隨著各種無線業務的廣泛應用，無線網絡安全越來越受到人們的重視，需要從網絡協議棧整體角度出發，為協議棧的每一層都加入安全機制已經成為一種必然。然而，在無線網絡安全的不斷發展創新的過程中，網絡協議棧中的物理層安全機制的研究卻一直被忽視。

物理層安全的研究從信息論角度出發，研究如何利用無線環境的復雜特性，如何把原本看似不利的因素轉變為有利于提升網絡安全性能的東西，物理層安全技術的研究是無線網絡安全性能研究的必然趨勢，是進一步提高無線網絡安全性能的有效途徑。將物理層安全的現有研究成果應用到協作中繼系統中來，還有一些問題需要解決，主要包括：如何針對協作中繼系統不同應用場景建立不同的系統模型，如何協調中繼節點參與轉發提高安全性能等。

本文章主要針對非理想信道環境下的無線網絡，基于物理層安全理論初步分析了廣義選擇合并策略，并在此基礎上構建無線網絡系統模型。

2?協作通信策略

2.1合并技術。合并策略指接收端接收到多路信號后，采用一定的策略對多路信號進行合并處理。通信系統常用的合并技術如下所述：

a），選擇合并技術

選擇合并指在接收到的多路信號中，將信噪比最大的那一路信號進行輸出。

b），等增益合并技術

等增益合并指將各個信道的信號進行等權重合并，因此不需要知道各信道的實際情況，是一種比較簡單的線性合并。

c），最大比合并技術

最大比合并指將各個信道的信號進行加權重合并，不同信道的加權系數不一樣，信噪比越大的信號加權系數越大。

d），廣義選擇合并技術

廣義選擇合并指根據一定的策略靈活地選擇若干個信道狀態好的多路信號進行合并。

綜上所述，最大比合并技術需要評估所有路徑的信息，能夠提供很好的性能，但是該方式會增加系統的復雜性。目前，采用選擇合并策略是研究無線網絡物理層安全最常見的一種方式，但是采用該策略能實現的性能稍差，原因是只需要選擇1條路徑的信息，復雜性也會低很多。廣義選擇合并技術在接收端選擇合并信道狀態好的若干個信號，相比最大比合并和選擇合并方式，廣義選擇合并方式綜合考慮了系統性能和系統復雜性，在研究無線網絡物理層安全時，采用廣義選擇合并策略是一種相對合適的策略。

2.2中繼轉發策略。中繼轉發策略包括放大轉發中繼策略和解碼轉發中繼策略。放大轉發策略是指在接收到信號后，不需要解碼，直接對接收到的信號進行放大處理，采用該策略不好的地方，中繼不僅把有用信號放大了，把噪聲信號也放大了。解碼轉發策略是指在接收到信息后，需要先對接收到的信號進行解碼，再對信號進行放大，因而實際放大的信號是有有用信號，采用該中繼轉發策略對于提升網絡性能有很大幫助。

3?系統模型

信源節點S在傳送信息時可獲得多個中繼節點R的協助。所有終端設備配備1根發射天線，信宿D配備X（X≥ 1）個接收天線，在信宿D處采用了廣義選擇合并策略，能夠處理來自于中繼R的多個接收信號。

該系統模型下，協作通信過程可以分為下面幾個階段：

（1）直傳階段：源節點發送信號，N個中繼節點R和1個信宿D接收信號。

（2）中繼階段：中繼節點R采用信源-中繼鏈路接收信號的瞬時信噪比SNR，該信噪比是衡量中繼傳輸可靠性的一個指標。當信噪比SNR大于預先設定的門限值日γ0，在中繼節點R處發生錯誤的概率小，因此，如果中繼節點R進行解碼并轉發該信息出錯概率小。同時，根據信道狀態信息篩選出信號最好的K1 ≤ K ≤ X）個中繼信號，參與協作的K個中繼節點依次對直傳階段接收到的信號進行處理并轉發到信宿D。

（3）合并階段：信宿D對（1+K）路信號采用廣義選擇合并策略進行合并處理。在該系統模型下，系統可獲得更高的分集增益。但隨著協作中繼節點數量的增加，系統開銷也會增大。

4?結語

無線網絡的一些特點，如開放的信道環境、不固定的網絡拓撲結構、以及某些無線網絡自組網形式等等，都導致了無線網絡的安全問題要遠比有線網絡的安全問題更為嚴重。物理層安全技術研究是無線網絡安全技術研究的一個重要方向，而協作策略、系統模型的研究是物聯層安全技術研究的核心模塊，本文初步研究了非理想環境下基于廣義選擇合并策略的無線網絡系統模型。

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