姚進(jìn) 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(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)研究的重要方向，而協(xié)作策略、系統(tǒng)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(huán)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(chǔ)上構(gòu)建了無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。

關(guān)鍵詞：非理想環(huán)境;廣義選擇合并策略;系統(tǒng)模型;物理層安全

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

1?概述

無線網(wǎng)絡(luò)安全機制研究一直是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的核心內(nèi)容。如圖1所示為無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)，當(dāng)今社會，隨著各種無線業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，無線網(wǎng)絡(luò)安全越來越受到人們的重視，需要從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧整體角度出發(fā)，為協(xié)議棧的每一層都加入安全機制已經(jīng)成為一種必然。然而，在無線網(wǎng)絡(luò)安全的不斷發(fā)展創(chuàng)新的過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(fā)，研究如何利用無線環(huán)境的復(fù)雜特性，如何把原本看似不利的因素轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谔嵘W(wǎng)絡(luò)安全性能的東西，物理層安全技術(shù)的研究是無線網(wǎng)絡(luò)安全性能研究的必然趨勢，是進(jìn)一步提高無線網(wǎng)絡(luò)安全性能的有效途徑。將物理層安全的現(xiàn)有研究成果應(yīng)用到協(xié)作中繼系統(tǒng)中來，還有一些問題需要解決，主要包括：如何針對協(xié)作中繼系統(tǒng)不同應(yīng)用場景建立不同的系統(tǒng)模型，如何協(xié)調(diào)中繼節(jié)點參與轉(zhuǎn)發(fā)提高安全性能等。

本文章主要針對非理想信道環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)，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(chǔ)上構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。

2?協(xié)作通信策略

2.1合并技術(shù)。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(jìn)行合并處理。通信系統(tǒng)常用的合并技術(shù)如下所述：

a），選擇合并技術(shù)

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(jìn)行輸出。

b），等增益合并技術(shù)

等增益合并指將各個信道的信號進(jìn)行等權(quán)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(shù)

最大比合并指將各個信道的信號進(jìn)行加權(quán)重合并，不同信道的加權(quán)系數(shù)不一樣，信噪比越大的信號加權(quán)系數(shù)越大。

d），廣義選擇合并技術(shù)

廣義選擇合并指根據(jù)一定的策略靈活地選擇若干個信道狀態(tài)好的多路信號進(jìn)行合并。

綜上所述，最大比合并技術(shù)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(tǒng)的復(fù)雜性。目前，采用選擇合并策略是研究無線網(wǎng)絡(luò)物理層安全最常見的一種方式，但是采用該策略能實現(xiàn)的性能稍差，原因是只需要選擇1條路徑的信息，復(fù)雜性也會低很多。廣義選擇合并技術(shù)在接收端選擇合并信道狀態(tài)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(tǒng)性能和系統(tǒng)復(fù)雜性，在研究無線網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)發(fā)策略。中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略包括放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼策略和解碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼策略。放大轉(zhuǎn)發(fā)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(jìn)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(zhuǎn)發(fā)策略是指在接收到信息后，需要先對接收到的信號進(jìn)行解碼，再對信號進(jìn)行放大，因而實際放大的信號是有有用信號，采用該中繼轉(zhuǎn)發(fā)策略對于提升網(wǎng)絡(luò)性能有很大幫助。

3?系統(tǒng)模型

信源節(jié)點S在傳送信息時可獲得多個中繼節(jié)點R的協(xié)助。所有終端設(shè)備配備1根發(fā)射天線，信宿D(zhuǎn)配備X（X≥ 1）個接收天線，在信宿D(zhuǎn)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(tǒng)模型下，協(xié)作通信過程可以分為下面幾個階段：

（1）直傳階段：源節(jié)點發(fā)送信號，N個中繼節(jié)點R和1個信宿D(zhuǎn)接收信號。

（2）中繼階段：中繼節(jié)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(biāo)。當(dāng)信噪比SNR大于預(yù)先設(shè)定的門限值日γ0，在中繼節(jié)點R處發(fā)生錯誤的概率小，因此，如果中繼節(jié)點R進(jìn)行解碼并轉(zhuǎn)發(fā)該信息出錯概率小。同時，根據(jù)信道狀態(tài)信息篩選出信號最好的K1 ≤ K ≤ X）個中繼信號，參與協(xié)作的K個中繼節(jié)點依次對直傳階段接收到的信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)到信宿D(zhuǎn)。

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

4?結(jié)語

無線網(wǎng)絡(luò)的一些特點，如開放的信道環(huán)境、不固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、以及某些無線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)形式等等，都導(dǎo)致了無線網(wǎng)絡(luò)的安全問題要遠(yuǎn)比有線網(wǎng)絡(luò)的安全問題更為嚴(yán)重。物理層安全技術(shù)研究是無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)研究的一個重要方向，而協(xié)作策略、系統(tǒng)模型的研究是物聯(lián)層安全技術(shù)研究的核心模塊，本文初步研究了非理想環(huán)境下基于廣義選擇合并策略的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。

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