無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，無論是民用通信還是軍用通信均存在潛在竊聽的安全威脅，因此，提出了將地面基站發(fā)送信號作為一種協(xié)同干擾的波束成形技術(shù)，通過由地面基站發(fā)送干擾信號來惡化衛(wèi)星竊聽節(jié)點(diǎn)的接收性能。同時在采用隨機(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)計一種較安全的波束成形算法，使發(fā)送信息在無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，需要一種全球無縫覆蓋的信息網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星通信具有廣域覆蓋優(yōu)勢，而地面移動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，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，無論是民用通信還是軍用通信均存在潛在竊聽的安全威脅。目前針對衛(wèi)星通信的物理層安全研究很多。張應(yīng)憲等［1］對衛(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。本文針對衛(wèi)星－地面混合通信系統(tǒng)的聯(lián)合處理技術(shù)，通過對前向鏈路混合頻段的波束成形設(shè)計，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)通過引入地面基站發(fā)送干擾信號來惡化衛(wèi)星竊聽節(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，通過凸優(yōu)化技術(shù)，設(shè)計一種安全波束成形算法，對竊取進(jìn)行攔截與反干擾來增加通信的安全性，使無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，則會發(fā)生中斷。實(shí)際通信系統(tǒng)中，收發(fā)信號的互信息量小于預(yù)期頻譜效率時，則認(rèn)為該鏈路中斷。中斷概率［4］是評價通信質(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，會產(chǎn)生中斷事件，這個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時的瞬時信道容量。

1．2凸優(yōu)化技術(shù)

凸優(yōu)化［5］是數(shù)學(xué)最優(yōu)化的一個子領(lǐng)域，主要研究定義于凸集中的凸函數(shù)最小化問題。凸優(yōu)化在某種意義上較一般的數(shù)學(xué)最優(yōu)化問題簡單，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)是一個定義在某個向量空間的凸子集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，一個函數(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）為一個凸集。如果對于任意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，地面無線移動通信網(wǎng)又稱為輔助地面網(wǎng)絡(luò)（ATN），其中的地面移動終端稱為輔助地面組件（ATC）。空間網(wǎng)絡(luò)與ATN互聯(lián)互通、無縫一體，籍以實(shí)現(xiàn)無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勢力的惡意干擾，也包含己方的無意影響；未授權(quán)接入者對衛(wèi)星前向鏈路下行信號的非法竊聽與截取。

2．1星地通信模型

針對星地混合通信系統(tǒng)前向鏈路中存在衛(wèi)星非法竊聽與截取鏈路的安全問題，由于衛(wèi)星竊聽節(jié)點(diǎn)比較隱藏，很難獲取竊聽節(jié)點(diǎn)的信道信息CSI，為此提出將地面基站發(fā)送信號作為一種協(xié)同干擾的波束成形技術(shù)，協(xié)同干擾技術(shù)通過引入地面基站發(fā)送干擾信號來惡化衛(wèi)星竊聽節(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)星傳輸信號為X，則通過前向鏈路上行到達(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，得到接收信號為Y，整個過程可表示為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)星移動信道十分復(fù)雜，在本文中暫不考慮信道對其影響；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，對前向下行鏈路中傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)鏈路容量不能滿足所需求的用戶速率時會產(chǎn)生中斷時間，這個事件發(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。在鏈路傳輸過程中的瞬時信噪比為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)。鏈路的瞬時容量為I＝12lg1＋rsd＋∑frsdrsd[()]，（9）因此當(dāng)要求速率為R時，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。通過式（10）計算在某一時間段t1，t2[]信號信噪比函數(shù)所對應(yīng)的中斷概率集合可以表示為Pout，Pout＝P1，P2，…，PN[]，N表示集合個數(shù)。隨后對中斷概率集合進(jìn)行凸優(yōu)化處理，將中斷概率集合Pout作為一個凸集，設(shè)其對應(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)果個數(shù)，即最有可能出現(xiàn)竊聽點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位置，得到最優(yōu)可能出現(xiàn)的竊聽節(jié)點(diǎn)，對其進(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。在信號傳輸過程中，前向上行與前向下行鏈路均有可能出現(xiàn)干擾信號惡化衛(wèi)星竊聽節(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)，對干擾信號進(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）對前向鏈路傳輸過程實(shí)時監(jiān)控得到在時間段t1，t2[]內(nèi)的中斷概率集合Pout；2）對中斷概率集合Pout進(jìn)行凸優(yōu)化算法處理，得到最優(yōu)可能的竊聽或干擾節(jié)點(diǎn)；3）在竊聽或干擾節(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，對于竊聽節(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追蹤的時間保持不變，并且隨著信噪比的增加，定位竊聽節(jié)點(diǎn)所需要的時間越來越短。當(dāng)信噪比越大即信號質(zhì)量越好時，受干擾影響越小，追蹤到竊聽節(jié)點(diǎn)位置越快?，F(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有在傳輸信號時利用信號性質(zhì)來對竊聽或干擾信號進(jìn)行反干擾處理，本算法具有一定的研究價值。

4結(jié)束語

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，有效地干擾了對星地通信系統(tǒng)中前向鏈路的信號竊聽，同時確保了衛(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