Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ·信息通信 协同通信系统中基于协作干扰的无线安全增强 周 钱，臧国珍，彭 磊，宋慧颖 （陆军工程大学通信工程学院，江苏南京２１０００７） 摘 要：研究了无线协同通信网络中的信息传输安全问题，提出了信源与中继端联合发送人工干扰的物理层安全传输策略， 分析了干扰剩余度对合法目的端信道容量和协同系统保密容量的影响，并在此基础上推导了系统安全中断概率的近似表达 式。仿真结果表明低信噪比下可控的人工干扰能够有效增强系统安全性能，而高信噪比下干扰剩余度对系统性能的影响更 为显著。 关键词：协同通信；协作干扰；干扰剩余度；保密容量；安全中断概率 中图分类号：ＴＮ９１８．９１ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－５１３３．２０１８．叭．０１８ 引用格式：周钱，臧国珍，彭磊，等．协同通信系统中基于协作干扰的无线安全增强［Ｊ］．信息技术与网络安全，２０１８，３７（１）： ８】．８６． Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｃｕｒｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｊａｍｍｉｎｇ ｉｎ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｚｈｏｕ Ｑｉａｎ，Ｚａｎｇ Ｇｕｏｚｈｅｎ，Ｐｅｎｇ Ｌｅｉ，Ｓｏｎｇ Ｈｕｉｙｉｎｇ （Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ａｒｍｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＰＬＡ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｉｎ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｐｅｃｉｉｃａｌｆｌｙ，ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｃｏｏｐ— ｅｒａｔｉｖｅ ｊａｍｍｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｈｉｃｈ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｒｅｌａｙ ｊｏｉｎｔ ｓｅｎｄｉｎｇ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ ａｎａ— ｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｆｏｒ ｌｅｇｉｔｉｍａｔｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｃａｐａｃｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｗｅ ａｌｓｏ ｄｅｒｉｖｅ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ｏｕｔａｇｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｊａｍｍｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ＳＮＲ ｒｅｇｉｏｎ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｗｉｌｌ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍｏｒｅ ｓｉｇｎｉｉｃａｎｔｆ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ＳＮＲ ｒｅｇｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｊａｍｍｉｎｇ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ；ｓｅｃｒｅｃｙ ｃａｐａｃｉｔｙ；ｓｅｃｒｅｃｙ ｏｕｔａｇｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ Ｏ 引言 率优化，文献［９］和文献［１０］考虑了通过添加人工噪声 的方法来提高安全速率。不同的是，前者采取的方案 随着无线通信技术的飞速发展和广泛应用，人们 在关注数据业务传输速率的同时对传输信息的私密性 是发送端将产生的人工噪声叠加在发送信号上，后者 则是通过在系统中额外增加一个协作干扰节点来辅助 产生人工噪声。文献［１１—１２］则分别给出了放大转发 和安全性也不断提出更高的要求。在传统的无线通信 安全机制中，主要采用的是基于密码学的身份认证技 术和上层数据加密技术。近年来，利用无线信道的物 理特性来解决信息传输安全问题的物理层安全（Ｐｈｙｓｉ． ｃａｌ Ｌａｙｅｒ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＰＬＳ）技术得到了学术界的广泛关注 和深入研究¨ 。ＰＬＳ技术常用波束成形和协作干扰 中继系统和双向不可信中继系统中将人工噪声与波束 成形相结合的信息安全传输方案。已有波束成形与人 工干扰相结合的研究中，主要考虑了利用波束成形技 术将人工噪声信号对准合法用户的零空间且假设窃听 者无法消除人工噪声，但对于单天线的无线通信网络， 的方法来提高私密信息传输的安全性，是现有无线通 信安全机制的重要补充，此时干扰作为无线网络的有 效资源，能够用来增加窃听者的接收噪声，降低窃听者 波束成形技术将不可用，而当信道随机性较大时协作 干扰节点辅助产生的人工噪声也会对合法用户产生一 定影响。 接收信号的质量 。协作干扰（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｊａｍｍｉｎｇ） 又称为人工干扰／噪声（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｊａｍｍｉｎｇ／Ｎｏｉｓｅ） ， 无线协同通信使得具有单天线配置的多个分布式 通信终端借助其协同节点的天线构成了一个虚拟的分布 式天线阵列，从而增强了ＭＩＭＯ的系统实现，获得了空间 ８１ 文献［８］采用将人工噪声投射到合法用户与基站之间 信道子空间的方法研究了多输入单输出网络的安全速 《信息技术与网络安全）２０１８年第ｌ期 信息通信·Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ 分集增 ”。 ． ｆＩｌ｝Ｉ州时 同技术的引入也给信息传输 带来Ｊ 新的发个威胁，＿尤线信道的开放性使得窃听并 能够通过 点转发的信 窃取到更多的信息ｊ 引刈‘以ｆ 问题，本史研究＇『，无线协同巾继网络『ｆ１ 息传输的安个性问题，挺…ｒ·种仪利Ｊ｝ｊ Ｍ网络 ｌ大】部通 文体实 息发个传输ｆ １标的１）ｌ｜ｓ传输 ‘ 棠， 价源‘ 联合发送人 ｆ：扰策略，然后分析Ｊ ｆ：扰剩余度埘合法［１的端信道容址和 系统可达保 惭 ｛ 的影响，Ｊｒ 此 ｆｉｊＪ；ｆ：推导＇ｒ安全巾断概率的 近似 达式 仿 结果表ｆ ，低信噪【‘ｔ Ｉ丌拄的人Ｉ Ｉ 扰能够钉效增强系统安个性能， 信噪比下ｆ：扰 剩余度刈 系统， 能的影响 为ｈｌｊ． 、 １ 系统模型 号 如［殳ｌ ｌ所爪的－ 火线协 通信系统模， ， 源ｓ 合法¨的端Ｉ）通过标准的ＡＷ（ 信道进行信 息的 Ｍ传输，系统的通信 ｉ ｉ－ １人ｌ还仔 符ｔ个静念 的窃听扦 ，ｆＩ＿信源Ｓ币¨【ＩＩ继 点Ｒ ｊ窃听行Ｅ之问 均 通ｆ 链路 似没ｒ”继 点Ｒ Ｔ作 个双ｒ Ｉ）Ｆ 议模 ，信道衰落为 瑞利块衰落，系统一ＩＩ · ｆ¨１ ｔ ｙ之 的 道十｝ｊ ｑ 独 儿ｆ 道系数 ，Ｊ÷为 ｈ （， ， ∈｛ 。，，ｄ．ｃ｝），符 点处的噪 为零均值的 』Ｊ【１ 『 斯ｈ噪，｝ （ＡＷ（ Ｎ） Ｉ 九线 川ｊｉ！ｉ 系统筋＿ＪＩｆ微 Ｉ办川通 过 『ｆ１ 源Ｓ 川寸刻 发送数 （ ）（Ｅｌ （ ）【 ｌ＝１），个舣ｒ Ｉ”继节点Ｒ 接收 数据 ’ （ ）的ｎ ｌＩｌ『发送人ｆ ｝ 扰信 ，（ ） （Ｅｌ （七）ｊ ｌ＝１），则¨的端Ｄ和窃听抒１＿： ｝１寸刻 接收 ４ｆ门 Ｉ 分 ＩＪ ： ｙ ，（ ）＝ｖ／ （＾：）＋ｖ／ 『７『ｆ， （ ）＋， ） （１） ， ．（ ）＝ｖ／ 『ｌ （ ）＋＼／Ｅ ，（ ）＋ｎ （『ｃ） （２） ．】＝Ｉ＝Ｉ｛ ，Ｅ ｆ【】Ｅ 分）ｊ【Ｊ丧，Ｊ 源１ 点Ｓ ｒｔ Ｉ米Ｉ 点Ｒ处的 发送功牢；ｎ ，（ ）～（ Ｎ（０，６ｊ）和ｎ ．（ ）～（：Ｎ（０，６ｊ）分 ）ｊｌＪ 爪【Ｉ１』刎 法¨的端Ｄ干¨窃听者 处的ＡＷ（ Ｎ ８２ ＋ｌＩＩｌｆ刎，ｒｆ１继Ｒ采川ＤＦ协议将时刻 接收到的 数据 ｛， （ ）泽 冉转发给合法Ｈ的端Ｄ，同时信 源ｓ发送 ｊ ｑＪ继Ｒ处相Ｍ形式的人ｒ １：扰信 ，（ ＋ １）（Ｅｌ ｆ Ｘｉｆ ＋１）ｆ Ｊ＝１），则合法ｒ｛的端Ｄ秆ｆ窃听 扦 ６－． ＋ｌｌＩ｜ｆ刻接收到的信号分别为： Ｙ ，（ ＋Ｊ） ＝ ｖ／ ＾ （ ） ＋ ｈ ，（ ＋１） ＋ １７ ，（ ＋１） （３） Ｙ （ ＋１）＝ 『ｌ ． （ｋ）＋ Ｅ ｈ ，（ ＋１）＋ ｎ （ ＋１） （４） 式Ｉｆ１，ｎ ，（ ＋１）一ＣＮ（０，６ｊ）和１ Ｉ１，．（ ＋１）～ｃＮ（０，６ｊ） 分别 示 ＋ｌＩ时刻合法¨的端Ｉ）与窃听行Ｆ处的 ＡＷ（ Ｎｌ为灰述方便， 的分析巾忽略时隙指数 。 ２ 系统安全性能分析 ２．１ 保密容量分析 通 技术的发展使得人们的１Ｉ常，｝ｉ活 加依赖于 信息技术，除ｒ信息传输的有效性干¨可靠性外，私密信 息 传输的过 ｒｆ１小被 通信舣方的第 方扶知的安 个性也ｌ应陔作为衡量一个通信系统性能的重要指标。 ｌ ９７５年，Ｗｙｎｅｒ 文献ｆ １ ５＿ｌ 次提ｍ』ｆｊ保密容址 （ｓ ｒｆ ｙ Ｃａｐａｃｉｔｙ）米 价系统的安令性能，保密容量 定义为保密信息被合法¨的端 确接收而窃听者无法 扶取仃川信息【Ｉｌ『系统町扶得的最大信息传输速率，红 数ｆｆ（Ｉ 等于主俯道与窃听信道可狱褂信道容最之间的 差仳， ｌ，Ｊ÷为： Ｃ ＝【Ｃ 一Ｃ 】 （５） ｌ ＝ｍａｘ｛０， ｝；Ｃ 和Ｃ 分别表示主信道与窃 听信道ｎＴ扶得的信道容髓 ｆ 没【ｆ１继Ｒ译码１｝＝确，儿合法Ｈ的端Ｄ能对人 ｛： 扰俯 进 定程度的滤除 窃听者不能． 为ｒ评价人 ｆ：扰 Ｉ ｊ’合法川广Ｊ的影响，定义 ｆ：扰剩余度的概 念，即合法川， 采ｊ｛ｌｊ·定 式消除人Ｔ ｆ：扰后仍然残留 的ｒ扰信 ．．信息传输完成后，合法¨的端Ｉ）与窃听者 Ｆ：均采Ｈｊ最夫比值合 （ＭＲＣ）的方式最大化各自的接 收ｆ 嵘比．、…式（１）、（３）不１Ｊ式（２）、（４），合法同的端Ｄ ｊ窃听 ｝ｃ处ＭＲＣ检测器输…的等效信噪比分别为： Ｅ 『Ｊ ， ｈ ｌ。 ＾ｙⅥ ＋ Ｅ １（６） ＋ 丁 ㈠ 』 『ｔｌ ＝｛ ｌ ０≤ １｝为ｆ扰剩余度，Ｏ／越小意味着十 扰信 的消除越有效 根据乔农信道容 公式，合法 ¨的端Ｄ ｊ窃听者Ｅ町狱得的信道容鲢分别衷示为： 《信息技术与网络安全》２ ０ｌ ８年第ｌ期 Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ·信息通信 ｃ。＝ １＝ｌ。ｇ：（１＋７Ｄ ） ＝式（１３）中由于Ｒ ＞０，所以总有Ｐｒ（【 】 ＜Ｒ ） Ｐｒ（ ＜Ｒ ）。假设高信噪比下信源和中继传输功率 ＝１，此时 ２ ｌｏｇ２（ ＋ ｌ。ｇｚ（１＋ Ｅ ｃ） ＋ Ｅ ｈＩ Ｊ＋ ／） （８） 与各节点处噪声功率总能够“吸收”到相应的信道增益 而归一化为１，所以令Ｐ ＝Ｐ ＝１， ： 主信道和窃听信道链路的信道增益为其信道信噪比， 则安全中断概率为： ｃ ＝ １＝２］￣ｇ２（ ＋ ＋ ）（９） 式中， Ｐｏ．ｔ＿Ｐｒ（ ）（１４） Ｔ 分别为主信道链路ｓ—Ｄ和Ｒ—Ｄ的信道 将式（８）和式（９）代人式（５），则无线协同通信系 信噪比； ｙ 分别为窃听信道链路ｓ—Ｅ和Ｒ—Ｅ的 统可获得的保密容量为： ｃ ＝【 ｌ。ｇ （１＋ｙＤ ）一 １ ｌ。ｇ：（１＋ Ｅ）］ ：［＿１ ｌｏｇ２（（ ＋ ＋ ）／ （ ＋ ＋ ））］ ， 对于相同条件下不采用信源与中继端联合发送人 工干扰信号的协同通信系统模型，系统可获得的保密 ｇｚ（ ＋业 １＋ （１ １） ２．２安全中断概率分析 中断的定义方式有很多种，从信息论的角度来看， 中断可定义为信息实际的传输速率不能满足系统的目 标传输速率Ｒ ，表示为： Ｐ ＝Ｐｒ［，（ ，ｙ） 】 （１２） 式中，，（ ．ｙ）表示无线信道的互信息量； 、Ｙ分别表 示无线信道的输入和输出。因信道变化的随机特性， 互信息是一个随机变量，在数值上等于目的端可获得 的信道容量。 若无线协同通信系统中信息的目标传输速率Ｒ 满 足Ｒ ＜Ｃ ，则总存在某种编码方式使得系统可以实现 理论上的绝对安全，反之，信息的传输将会发生安全意 义上的中断。安全中断概率（Ｓｅｃｒｅｃｙ Ｏｕｔａｇｅ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉ— ｔｙ，ＳＯＰ）就是信息传输的安全性受到威胁时系统发生 中断事件的概率。因此，由式（１０）可知系统的安全中 断概率为： Ｐ ＝Ｐｒ（Ｃｓ＜Ｒｓ）＝Ｐｒ（［ＣＤ—Ｃ ］ ＜Ｒｓ） （ ） 《信息技术与网络安全＞＞２ｏ１８年第１期 信道信噪比。 首先，令Ｘ＝ ｄ＋ｙ ｄ，Ｙ＝ 。／Ｔ， ＋ ／ｙ ，Ｚ＝ ｒ ，则式（１４）可改写为： Ｐ ＝Ｐｒ（Ｚ＜２ ）＝Ｆ （２ ） ＝ １ Ｙ）ｄｙ ｄ ，∞ｒ ２ ，（１ ｙ） Ｊ Ｊ０ （ ）ｆｒ（Ｙ）ｄｘｄｙ ＝ｆ Ｆ （２ （１＋ｖ）） （Ｙ）ｄｙ （１５） 对于变量 ，由于信道衰落为平坦瑞利块衰落，信 道系数ｈ ｈ 为复高斯随机变量，则主信道链路ｓ—Ｄ 和Ｒ—Ｄ的信道信噪比 柑＝ｌ ｌ ，ｙ， ：ｌ ｈ ｌ 分别 服从均值为Ａ Ａ （Ａ。 ≠Ａ， ）的指数分布，根据 随机变量分布的基本结论不难得出变量Ｘ的概率密度 函数（ＰＤＦ）ｆｘ（ ）和累积分布函数（ＣＤＦ）Ｆ （ ）为： ｆｘ（ ）＝— —— （ｅ一 —ｅ一 ） （１６） Ｆ （ ）＝１～ ｅ一 一 ｅ一 （１７） 对于变量ｙ，同样由于信道系数ｈ ｈ， 为复高斯随 机变量，则窃听信道链路ｓ—Ｅ和Ｒ—Ｅ的信道信噪比 ＝ｆ ｈ ｆ 、．ｙ， ＝ｆ ｈ ｆ。分别服从均值为Ａ Ａ， 的指 数分布。令Ｚ ＝．ｙ…／ｙ，Ｚ２＝ ， ／ｙ…容易得到随机变 量Ｚ 和Ｚ：的概率密度函数 （Ｚ ）和 （Ｚ ）分别为： ＺＪ卜 爰 （１８） 卜 （１ 进一步，令ｚ＝Ｚ，＋ｚ’，根据两个随机变量求和 的基本公式并结合文献［１６］中的结论，得到随机变量 Ｚ的概率密度函数表达式为： ８３ 信息通信·Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ （ｚ）＝ （２０） 其中。＝Ａ ／Ａ ，ｂ＝０ ＋口。，ｃ＝２ａ ＋２口 ＋２ ， ｄ＝５７＋。 ＋Ⅱ ＋Ⅱ， （３）信息同步的问题 ：４０ ＋３０ ． ＝６０ ＋９ 。＋３０， 实际的无线协同通信系统中，如何实现信源节点 和中继端发送信息（数据信号和人工干扰信号）的同步 性是需要进一步考虑的问题。在具体的系统实现中， ＝４ａ。＋９ａ ＋６８ ＋１。则由式（１５）、式（１７）和式 （２０）可以得到本文外部窃听者存在的无线协同通信系 统模型的安全中断概率为： 可以采用以下两种方法： Ｐ ： ㈦【 一 ｅ 一 ｅ ］出 ①由上层协议来控制信源节点与中继端的时钟同 步，使其拥有统一的时钟，类似ＴＤＭＡ中的同步技术。 （２１） 对于相同条件下不采用信源与中继端联合发送人 工干扰信号的协同通信系统模型，系统可获得的安全 中断概率表达式为： Ｐ ＝ 。 ２ Ａ ＋３·２ Ａ ２ Ａ ＋３·２。 Ａ Ａ ＋Ａ Ａ ｄ（２２） ３ 系统实现问题的进一步讨论 （１）人工干扰信号的设计 干扰信号的设计是协作干扰技术发挥其效能的关 键所在，因此可控的干扰信号可被视为无线通信安全 领域的有效资源。若系统中的合法用户和窃听者受到 同等程度的干扰，那么干扰信号不仅不能作为系统的 有效资源得到充分利用，还会占用系统的功率、时隙等 资源，得不偿失。对于多天线的协同通信系统，可以利 用多天线的波束赋型和干扰对齐等方式使其将数据信 号对准合法用户，将干扰信号对准外部窃听者。然而， 对于合法用户和外部窃听者在同一个方向这一实际可 能存在的通信场景，基于多天线的协作干扰技术应用 也受到。对于单天线的无线协同通信系统，干扰 信号的设计尤为重要，因为系统中的合法用户对人工 干扰的消除决定了协作干扰技术的实际效能。 （２）中继译码成功与否 无线协同通信中，信源节点在协同中继节点的帮 助下完成信息的传输。协同中继常用的信息处理方式 有放大转发和译码转发两种。放大转发只是单纯地将 接收到的信号以一定的功率放大后再转发出去，中间 并不进行任何操作；然而对于译码转发来说，中继节点 成功译码是无线协同通信系统正常工作的前提。因 此，对于信源与合法接收者之间存在直传链路的协同 通信系统来说，若中继节点不能成功译码，则协同通信 系统实为只含收发双方的传统无线通信系统；而对于 信源与合法接收者之间不存在直传链路的无线协同通 信系统，信息传输将会终止。 ８４ ②信源节点在发送数据信号前增加一段用于同步 的短前缀，这一段前缀不含有用信息，即使被窃听者截 获也不会泄密，中继端在收到前缀后立即发送人工干 扰信号。 ４仿真结果及分析 在前述的无线协同通信系统模型中，信息传输的 安全性是通过加入可控的人工干扰信号来实现的。为 了直观了解人工干扰信号对于协同系统中合法用户及 系统性能的影响，本节利用计算机ＭＡＴＬＡＢ仿真验证 干扰信号作用下的系统安全性能。仿真场景中信道衰 落为平坦瑞利块衰落，信道系数模拟为相互的复 高斯随机变量。 图２给出了Ｐ ＝Ｐ 时目的端信道容量Ｃ。与信源 发送ＳＮＲ的变化关系。首先，由图中曲线可以看出， ｃ 并不总随着信源发送ＳＮＲ的增加而增加。在Ｏｌ＝０ 的理想情况下，ｃ 与信源发送ＳＮＲ成正比例增长，而 随着 的增加，Ｃ。不断减小，这与人工干扰信号也对 合法目的端产生一定影响的实际情况相符合。其次， 当０ｃ≠０时，即使信源发送ＳＮＲ不断增加，ｃ。的增加 也将趋于平缓。可见，单纯增加信源发送ＳＮＲ并不能明 显改善系统性能，且在高信噪比区域（ＳＮＲ＞１５ ｄＢ），Ｏ／ 对目的端可获得信道容量的影响更加突出。 图２合法目的端信道容量曲线 《信息技术与网络安全）２０１８年第１期 Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ·信息通信 图３给出了对称信道条件下系统安全容量与信源 ４ ３ ２ 安全中断概率与Ｒ 的变化关系。由图可知，系统的安 １ ０ ５ ４ ５ ３ ５ ２ ５ １ ５ Ｏ 发送ＳＮＲ的变化关系。可以看出，信源与中继直接进 行信息协同传输时，系统安全容量为零，这是因为信道 对称时窃听者能够获得与合法目的端相当的信息量；而 采用信源和中继联合协作干扰的传输策略后，随着 的 减少，系统安全容量随着信源发送ＳＮＲ的增加而迅速增 加。当ＳＮＲ＝２５ ｄＢ时， ＝０．５只能带来０．４ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ 的性能提升，而 ＝０．１可以带来１．５ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ的性能提 升，可见人工干扰信号的形式及其设计对于无线协同系 统安全性能的提升具有非常重要的意义。 ７，ｕ／ｄＢ 图４安全中断概率曲线 图５给出了 ＝３０ ｄＢ， ＝ ， ＝１０ ｄＢ时，系统 《信息技术与网络安全））２０１８年第１期 全中断概率随着Ｒ 的增加而增加，这符合信息目标传 输速率增加后，系统发生安全中断的可能性增加，导致 系统的安全性能降低的事实。而且可以看出当 ≥ ２ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ， ＝０．５时，即使采用基于协作干扰的物理 层安全传输策略，无线协同系统的安全中断概率也已 趋近于１，而当Ｒ ５ ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ时，无论 取何值，无线 协同系统均会发生安全意义上的中断。可以预想，即 使Ｒ 一０，在外部窃听者存在的情景下，信源也不能够 直接将信息安全地传递给合法接收者。 ／ Ｚ ／ 厂 ｒ ／ ／ ／ ＝０ ， ——·一ａ＝０．５ ５ ， ／ — ａ＝０． －●●●＇ ／ 一—－ ａ＝０．０ ／ Ｒｓ／（ｂｉｌ／ｓ／Ｈｚ） 图５ 安全中断概率随Ｒ 的变化 ５ 结束语 无线协同通信在不增加节点复杂度和节点天线数 目的条件下使得具有单天线配置的移动终端借助其协 同节点的天线构成了一个虚拟的分布式天线阵列，从 而获得空间分集增益，提高了系统的传输性能，但同时 也给信息的传输带来了新的安全问题。本文提出一种 仅利用协同系统内部通信实体实现信息安全传输的 ＰＬＳ方案，即信源与中继联合发送人工干扰信号，并从 协同系统可获得安全容量与安全中断概率两个方面验 证了干扰信号只有在可控的范围内，信源与中继联合 发送人工干扰信号的物理层安全传输策略才能保证信 息的传输安全。在传统的无线通信网络中，干扰是降 低系统性能的主要因素之一。协作干扰技术与多天线 相结合使得干扰信号对准合法接收者的零空间，从而 将干扰信号转变为有利于系统性能的资源，但对于单 天线的无线通信系统，人工干扰信号的产生、设计和消 除仍需要进一步的研究。 参考文献 ［１］ＷＡＮＧ Ｈ Ｍ，ＺＨＥＮＧ Ｔ Ｘ，ＸＩＡ ｘ Ｇ．Ｓｅｃｕｒｅ ＭＩＳＯ ｗｉｒｅｔａｐ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉａｎｔｅｎｎａ ｐａｓｓｉｖｅ ｅａｖｅｓｄｒｏｐｐｅｒ：ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｎｏｉｓｅ ＶＳ．ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｆａｓｔ ｆａｄｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｗｉｒｅ— ｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１５，１４（１）：９４·１０６． ［２］ＷＡＮＧ Ｌ Ｆ，ＹＡＮＧ Ｎ，ＥＬＫＡＳＨＬＡＮ Ｍ，ｅｔ ａｔ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ ８５ 信息通信·Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｍａｘｉｍａｌ ｒａｔｉｏ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｉｎ ｔｗｏ—ｗａｖｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｕｓｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｄｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｏｒｅｎｓｉｃｓ＆Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，２０１４，９（２）：２４７－２５８． ［３］Ｌ１ＡＮＧ Ｙ Ｂ，ＰＯＯＲ Ｈ Ｖ。ＳＨＡＭＡＩ Ｓ．Ｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ｆａｄｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，２００７，５４（６）：２４７０—２４９２． ［４］ＭＵＫＨＥＲＪＥＥ Ａ，ＳＷＩＮＤＬＥＨＵＲＳＴ Ａ Ｌ．Ｒｏｂｕｓｔ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｕｇ ｆｏｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｉｎ ＭＩＭＯ ｗｉｒｅｔａｐ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｉｍｐｅｒｆｅｃｔ ＣＳＩ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１０，５９（１）： ３５１—３６１． ［５］ＣＡＤＡＭＢＥ Ｖ Ｒ。ＪＡＦＡＲ Ｓ Ａ．Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｐａ— ｔｉａｌ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｋ ｕｓｅｒ ｉｎｔｅｆｒｅｒｅｎｃｅ ｃｈａｎｎｅｌ［Ｃ］． ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ， ２００８：９７１—９７５． ［６］ＶＩＬＥＬＡ Ｊ Ｐ，ＢＬＯＣＨ Ｍ，ＢＡＲＲＯＳ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｃｒｅｃｙ ｒｅｇｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｊａｍｍｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒ— ｍａｔｉｏｎ Ｆｏｒｅｎｓｉｃｓ＆Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，２０１１，６（２）：２５６—２６６． 【７ ｊ ＬＩＵ Ｓ，ＨＯＮＧ Ｙ，ＶＩＴＥＲＢＯ Ｅ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｅｃｒｅｃｙ ｕｓｉｎｇ ａｒｔｉｆｉ— ｃｉａｌ ｎｏｉｓｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１３，１７（７）： １４８３—１４８６． ［８］ＬＩＮ Ｐ Ｈ，ＬＡＩ Ｓ Ｈ，ＬＩＮ Ｓ Ｃ．ｅｔ ａ１．Ｏｎ ｓｅｃｒｅｃｙ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ—ｎｏｉｓｅ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｓｅｃｕｒｅ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｆｏｒ ｗｉｒｅｔａｐ ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍ— ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１２，３ｌ（９）：１７２８—１７４０． ［９］ＧＯＥＬ Ｓ，ＮＥＧＩ Ｒ．Ｇｕａｒａｎｔｅｅｉｎｇ ｓｅｃｒｅｃｙ ｕｓｉｎｇ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｎｏｉｓｅ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００８，７ （６）：２１８０—２１８９． ［１ ０］ＨＵＡＮＧ Ｊ，ＳＷＩＮＤＬＥＨＵＲＳＴ Ａ Ｌ．ＱｏＳ—ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ｒｏｂｕｓｔ ｈｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎ ＭＩＳＯ ｗｉｒｅｔａｐ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ａ ｈｅｌｐｅｒ［Ｃ］／／ Ｓｉｇｎａｌｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ．ＩＥＥＥ，２０１１：１８８—１９２． ［１１］ＷＡＮＧ Ｈ Ｍ，ＸＩＡ Ｘ Ｇ，ＹＩＮ Ｑ．Ｔｏ ｓｅｃｕｒｅ ａｍｐｌｉｆｙ—ａｎｄ—ｆ０ｒ一 ８６ ｗａｒｄ ｒｅｌａｙ ｓｙｓｔｅｍｓ ｖｉａ ｊｏｉｎｔ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｊａｍ— ｍｉｎｇ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ Ｃｈｉｎａ Ｓｕｍｍｉｔ＆Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ＩＥＥＥ，２０１３：３９９－４０２． ［１２］ Ｍｏ Ｊｉａｎｈｕａ，Ｔａｏ Ｍｅｉｘｉａ，Ｌｉｕ Ｙｕａｎ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｃｕｒｅ ｂｅａｍｆｏｒｍ ｉｎｇ ｆｏｒ ＭＩＭＯ ｔｗｏ—ｗａｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｎｔｒｕｓｔｅｄ ｒｅｌａｙ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１４，６２（９）： ２】８５＿２】９９． ［１３］ ＤＯＮＧ Ｌ，ＨＡＮ Ｚ，ＰＥＴＲＯＰＵＬＵ Ａ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｓｅｃｕｒｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｖｉａ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｃ］．２００８ Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆｅｒ ｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，ＩＥＥＥ， ２００８：１１３２—１１３８． ［１４］ ＤＯＮＧ Ｌ，ＨＡＮ Ｚ，ＰＥＴＲＯＰＵＬＵ Ａ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ａｍｐｌｉｆｙ—ａｎｄ— ｆｏｒｗａｒｄ ｂａｓｅｄ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｅｃｕｒｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｃ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ Ｓｐｅｅｃｈ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００９： ２６１３—２６１６． ［１５］ ＷＹＮＥＲ Ａ Ｄ．Ｔｈｅ ｗｉｒｅ·ｔａｐ ｃｈａｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｂｅｌｌ Ｌａｂｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９７５，５４（８）：１３５５—１３８７． ［１６］ ＣＨＥＮ Ｇ，ＹＵ Ｇ，ＸＩＡＯ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｅ— ｃｕｒｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｌｌ—ｄｕｐｌｅｘ ｒｅｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｆｏｒｅｎｓｉｃｓ＆Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，２０１５，１０（３）：５７４—５８３． （收稿日期：２０１７—１０－１０） 作者简介： 周钱（１９９２一），男，硕士，主要研究方向：物理层安全，信息 感知、处理与对抗。 臧国珍（１９７８一），女，博士，副教授，主要研究方向：协同通 信网络，信号检测与估计，物理层安全。 彭磊（１９９３一），男，硕士，主要研究方向：通信抗干扰技术， 移动通信。 《信息技术与网络安￣｝２０１８年第１期
