無(wú)線通信物理層安全傳輸技術(shù)淺析

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摘要：隨著信息全球化的發(fā)展，星地通信網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋信息網(wǎng)的重要手段，已成為支撐起物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的涉及全球信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。由于星地衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣播特性和廣域覆蓋特性，無(wú)論是民用通信還是軍用通信均存在潛在竊聽(tīng)的安全威脅，因此，提出了將地面基站發(fā)送信號(hào)作為一種協(xié)同干擾的波束成形技術(shù)，通過(guò)由地面基站發(fā)送干擾信號(hào)來(lái)惡化衛(wèi)星竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收性能。同時(shí)在采用隨機(jī)信道模型前提下，基于中斷概率準(zhǔn)則，結(jié)合凸優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計(jì)一種較安全的波束成形算法，使發(fā)送信息在無(wú)線通信物理層安全傳輸。

關(guān)鍵詞：星地通信網(wǎng)絡(luò)；物理層安全；中斷概率；凸優(yōu)化

隨著信息全球化的發(fā)展，需要一種全球無(wú)縫覆蓋的信息網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星通信具有廣域覆蓋優(yōu)勢(shì)，而地面移動(dòng)通信可以在人口密集區(qū)提供大容量、多業(yè)務(wù)、高速率的優(yōu)質(zhì)通信服務(wù)。將衛(wèi)星與地面通信系統(tǒng)進(jìn)行一體化，發(fā)揮各系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建具有廣域覆蓋信息網(wǎng)的星地混合通信系統(tǒng)，將成為支撐起物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的涉及全球信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。然而正是由于星地衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣播特性和廣域覆蓋特性，無(wú)論是民用通信還是軍用通信均存在潛在竊聽(tīng)的安全威脅。目前針對(duì)衛(wèi)星通信的物理層安全研究很多。張應(yīng)憲等［1］對(duì)衛(wèi)星通信物理層安全技術(shù)應(yīng)用的可行性以及存在的潛在問(wèn)題進(jìn)行分析論述，提出了衛(wèi)星通信物理層安全研究方向，對(duì)衛(wèi)星通信物理層安全技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望。當(dāng)前大多采用動(dòng)態(tài)波束成形技術(shù)［2］、多波束固定合法接收機(jī)的物理層安全技術(shù)［3］等實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信物理層安全。本文針對(duì)衛(wèi)星－地面混合通信系統(tǒng)的聯(lián)合處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)前向鏈路混合頻段的波束成形設(shè)計(jì)，在不增加衛(wèi)星載荷復(fù)雜度的基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)頻譜利用率和安全性能，開(kāi)展星地混合通信系統(tǒng)前向鏈路的安全傳輸技術(shù)研究和保密性能分析研究，并提出將地面基站發(fā)送信號(hào)作為一種協(xié)同干擾的波束成形技術(shù)，協(xié)同干擾技術(shù)通過(guò)引入地面基站發(fā)送干擾信號(hào)來(lái)惡化衛(wèi)星竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收性能。采用隨機(jī)的信道模型，基于中斷概率準(zhǔn)則，通過(guò)凸優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計(jì)一種安全波束成形算法，對(duì)竊取進(jìn)行攔截與反干擾來(lái)增加通信的安全性，使無(wú)線通信物理層信息安全傳輸。

1關(guān)鍵技術(shù)

1．1中斷概率準(zhǔn)則

在通信中，如果得到的隨機(jī)變化的信息傳輸速率（即業(yè)務(wù)可靠速率）低于一定的水平，則會(huì)發(fā)生中斷。實(shí)際通信系統(tǒng)中，收發(fā)信號(hào)的互信息量小于預(yù)期頻譜效率時(shí)，則認(rèn)為該鏈路中斷。中斷概率［4］是評(píng)價(jià)通信質(zhì)量的重要指標(biāo)，是鏈路容量的另一種表達(dá)方式。當(dāng)鏈路容量不能滿足所需求的用戶速率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷事件，這個(gè)事件呈概率分布且取決于鏈路的平均信噪比及其信道衰落分布模型。設(shè)信噪比SNR的函數(shù)表達(dá)式為f(x)，則中斷概率可以表示為PrSNR＜γ0()＝∫γ00f(x)dx，（1）式中γ0表示在某節(jié)點(diǎn)接收信噪比的門限值。以信道容量表示的中斷概率是瞬時(shí)信道容量低于預(yù)定義的傳輸速率R的概率，因此中斷概率Pout(R)可以表示為Pout(R)＝PrCmRm(()＜R)，（2）式中CmRm()表示在傳輸速度為Rm時(shí)的瞬時(shí)信道容量。

1．2凸優(yōu)化技術(shù)

凸優(yōu)化［5］是數(shù)學(xué)最優(yōu)化的一個(gè)子領(lǐng)域，主要研究定義于凸集中的凸函數(shù)最小化問(wèn)題。凸優(yōu)化在某種意義上較一般的數(shù)學(xué)最優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)單，即在凸優(yōu)化局部最優(yōu)值必定是全局最優(yōu)值。凸函數(shù)是一個(gè)定義在某個(gè)向量空間的凸子集C（區(qū)間）上的實(shí)值函數(shù)f，在其定義域C上的任意兩點(diǎn)x，y，以及t∈(0，1)，有ftx＋1((－t)y)≤tf(x)＋1(－t)f(y)，（3）也就是說(shuō)，一個(gè)函數(shù)為凸函數(shù)，當(dāng)且僅當(dāng)其上鏡圖（在函數(shù)圖像上方的點(diǎn)集）為一個(gè)凸集。如果對(duì)于任意t∈(0，1)有ftx＋1((－t)y)＜tf(x)＋1(－t)f(y)，（4）函數(shù)f是嚴(yán)格凸的。若對(duì)于任意的x，y，z，其中x≤y≤z，都有f(z)≤maxf(x)，f(y){}，（5）則稱函數(shù)f是幾乎凸的。

2星地通信系統(tǒng)

星地混合通信系統(tǒng)的組成示意圖如圖1所示，地面無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)又稱為輔助地面網(wǎng)絡(luò)（ATN），其中的地面移動(dòng)終端稱為輔助地面組件（ATC）?？臻g網(wǎng)絡(luò)與ATN互聯(lián)互通、無(wú)縫一體，籍以實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的全方位通信能力。圖1星地混合通信衛(wèi)星將面臨如下干擾：各種上行干擾源的干擾，既包括非法用戶和敵對(duì)勢(shì)力的惡意干擾，也包含己方的無(wú)意影響；未授權(quán)接入者對(duì)衛(wèi)星前向鏈路下行信號(hào)的非法竊聽(tīng)與截取。

2．1星地通信模型

針對(duì)星地混合通信系統(tǒng)前向鏈路中存在衛(wèi)星非法竊聽(tīng)與截取鏈路的安全問(wèn)題，由于衛(wèi)星竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)比較隱藏，很難獲取竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的信道信息CSI，為此提出將地面基站發(fā)送信號(hào)作為一種協(xié)同干擾的波束成形技術(shù)，協(xié)同干擾技術(shù)通過(guò)引入地面基站發(fā)送干擾信號(hào)來(lái)惡化衛(wèi)星竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收性能。采用隨機(jī)的信道模型前提下，基于中斷概率準(zhǔn)則，結(jié)合凸優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計(jì)一種安全算法實(shí)現(xiàn)星地通信物理層安全傳輸。假設(shè)地面衛(wèi)星傳輸信號(hào)為X，則通過(guò)前向鏈路上行到達(dá)GEO衛(wèi)星（地球靜止軌道衛(wèi)星），再由GEO衛(wèi)星經(jīng)前向下行鏈路到達(dá)用戶終端，得到接收信號(hào)為Y，整個(gè)過(guò)程可表示為Y＝H2H1X＋N1[]＋N2，（6）式中：H1、H2分別表示前向上行、前向下行的星地混合通信系統(tǒng)信道響應(yīng)，衛(wèi)星移動(dòng)信道十分復(fù)雜，在本文中暫不考慮信道對(duì)其影響；N1、N2表示GEO衛(wèi)星處、用戶終端處的噪聲，一般為高斯白噪聲，N1、N2～CN0，(σ2)，即噪聲服從均值為0，方差為σ2的正態(tài)分布。定義衛(wèi)星源點(diǎn)為s，地面目的節(jié)點(diǎn)為d，對(duì)前向下行鏈路中傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)鏈路容量不能滿足所需求的用戶速率時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷時(shí)間，這個(gè)事件發(fā)生的概率由鏈路的平均信噪比及其信道衰落分布模型決定。在鏈路傳輸過(guò)程中的瞬時(shí)信噪比為rsd＝hsd2×r－sd，（7）式中：r－sd＝Es／N0，是衛(wèi)星到目的節(jié)點(diǎn)間鏈路符號(hào)平均傳輸信噪比；hsd為衛(wèi)星到目的節(jié)點(diǎn)間信道響應(yīng)。因此瞬時(shí)信噪比的概率密度函數(shù)為（8）式中f為信道模型函數(shù)。鏈路的瞬時(shí)容量為I＝12lg1＋rsd＋∑frsdrsd[()]，（9）因此當(dāng)要求速率為R時(shí)，中斷概率定義為Pout＝Pr[I＜R]＝式中C(n)＝22R－1，表示瞬間信道容量。通過(guò)式（10）計(jì)算在某一時(shí)間段t1，t2[]信號(hào)信噪比函數(shù)所對(duì)應(yīng)的中斷概率集合可以表示為Pout，Pout＝P1，P2，…，PN[]，N表示集合個(gè)數(shù)。隨后對(duì)中斷概率集合進(jìn)行凸優(yōu)化處理，將中斷概率集合Pout作為一個(gè)凸集，設(shè)其對(duì)應(yīng)的凸函數(shù)為ω，約束條件為φ1，φ2，…，φM，M為約束函數(shù)的個(gè)數(shù)，進(jìn)行凸優(yōu)化處理，即：minω，s．t．φ1≤0，φ2≤0，…，φM≤0，（11）根據(jù)約束條件可分離變量得到最優(yōu)結(jié)果x1，x2，…，xm，m為最優(yōu)結(jié)果個(gè)數(shù)，即最有可能出現(xiàn)竊聽(tīng)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位置，得到最優(yōu)可能出現(xiàn)的竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行干擾與攔截，完成星地通信物理層信息的安全傳輸。

2．2波束成形算法

2．2．1算法實(shí)現(xiàn)流程。在信號(hào)傳輸過(guò)程中，前向上行與前向下行鏈路均有可能出現(xiàn)干擾信號(hào)惡化衛(wèi)星竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收性能，本文利用中斷概率準(zhǔn)則和凸優(yōu)化技術(shù)，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行攔截或干擾。圖2所示為追蹤算法實(shí)現(xiàn)具體流程圖。2．2．2算法實(shí)現(xiàn)基本步驟。1）對(duì)前向鏈路傳輸過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控得到在時(shí)間段t1，t2[]內(nèi)的中斷概率集合Pout；2）對(duì)中斷概率集合Pout進(jìn)行凸優(yōu)化算法處理，得到最優(yōu)可能的竊聽(tīng)或干擾節(jié)點(diǎn)；3）在竊聽(tīng)或干擾節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行反干擾操作，實(shí)現(xiàn)通信物理層安全傳輸。

3仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)果如圖3所示，本文從接收天線Nr＝1，2，3進(jìn)行仿真研究。從圖3可以看出，在相同信噪比情況下，隨著接收天線的增加，對(duì)于竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的位置能較快地定位；當(dāng)信噪比增大到一定程度時(shí)追蹤的時(shí)間保持不變，并且隨著信噪比的增加，定位竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間越來(lái)越短。當(dāng)信噪比越大即信號(hào)質(zhì)量越好時(shí)，受干擾影響越小，追蹤到竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)位置越快。現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有在傳輸信號(hào)時(shí)利用信號(hào)性質(zhì)來(lái)對(duì)竊聽(tīng)或干擾信號(hào)進(jìn)行反干擾處理，本算法具有一定的研究?jī)r(jià)值。

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于中斷概率準(zhǔn)則，結(jié)合凸優(yōu)化技術(shù)，在采用隨機(jī)信道模型下，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)星地通信物理層信息安全傳輸算法，有效地干擾了對(duì)星地通信系統(tǒng)中前向鏈路的信號(hào)竊聽(tīng)，同時(shí)確保了衛(wèi)星合法節(jié)點(diǎn)的正常通信。

作者:郭美麗 李靈燕 羅永倫 單位:煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院電氣與電子工程系 山東衡昊信息技術(shù)有限公司研發(fā)部 電子科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)研究院