非理想環境下基于物理層安全的無線網絡性能探究

姚進

摘要：隨著科學技術的迅猛發展，特別是無線網絡技術的不斷普及正在逐漸改變人們的生活和工作方式，同時也給無線網絡安全提出了更高的要求和更為嚴峻的挑戰。文章構建了在非理想環境下基于物理層安全的系統模型，并基于該系統模型初步研究了系統保密容量和系統保密中斷概率。

關鍵詞：非理想環境;物理層;性能

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0184-02

0 引言

隨著WIFI、Zigbee、NB-IoT、藍牙、4G、5G等各種無線技術的廣泛應用和不斷普及，無線網絡正在不斷地改變和改善人們的生活及工作方式，與此同時，也對無線網絡安全提出了更高的要求和更為嚴峻的挑戰[1]。

在無線網絡安全越來越受到重視的今天，通過為網絡協議棧中的每一層加入安全機制已經成為必要的選擇，而物理層的安全機制研究一直被忽略。物理層安全機制研究有很多優點，從信息論的角度出發，利用實際傳播環境的信道特征，在物理層解決無線網絡安全傳輸問題。通過在物理層對信息進行處理，可以從根本上確保信息的安全性[2]。

在實際的網絡通信中，由于實際信道環境的復雜性，幾乎不可能獲取理想的信道狀態，因此在對無線網絡進行性能研究時，往往是基于非理想環境進行分析的，非理想環境下的物理層安全機制研究大多都是根據信道狀態信息CSI（Channel State Information）進行分析的[3-4]。

本文章主要對非理想環境下基于物理層安全的無線網絡進行了初步性能分析，本文章的主要貢獻如下：

（1）文章構建了在非理想環境下基于物理層安全的系統模型。

（2）文章初步研究了系統保密容量和系統保密中斷概率。

1 系統模型

如圖1所示為無線能量傳輸模型圖，如圖2所示為信息傳輸模型圖。包括信源S，新宿D，一個中繼節點R，一個竊聽者E，其中，竊聽者E嘗試對信源發送和中繼節點R轉發的信息進行竊聽。所有的鏈路經歷了獨立相同的瑞利衰落。假定每個終端有一根天線，采用半雙工模式。

如圖3所示，無線能量及信息傳輸主要分為以下3個階段：

（1）信宿D通過無線信號給信源S和中繼R傳遞能量。

（2）信源S傳遞信息到中繼節點R和信宿D。

（3）中繼節點R傳輸信息到信宿D。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，在中繼節點R處發生錯誤的概率小。因此，中繼節點R將在解碼后轉發信息，否則，中繼節點R保持靜默。

如果R轉發信息，在D，E兩處都會出現發射信號的兩個復制信息?？梢圆捎眠x擇性合并去處理兩個接收的復制信號。

2 性能分析

3 結語

隨著各種無線技術的廣泛應用，對無線網絡安全提出了更高的要求和挑戰。物理層安全問題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的有效途徑。本文構建了非理想環境下基于物理層安全的系統模型，并基于該系統模型對無線網絡性能進行了初步分析。

參考文獻

[1] 丁青鋒，劉夢霞，連義翀.基于非理想CSI的全雙工雙向中繼系統保密中斷概率性能研究[J].計算機應用研究，2019（9）：1-4.

[2] 丁威.基于協作干擾的物理層安全技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2016.

[3] 王磊，管新榮，林志，等.無線網絡物理層安全技術研究現狀與展望[J].軍事通信技術，2015，36（3）：54-60.

[4] 唐杰，潘緋，廖潤發，等.多天線通信系統物理層安全可靠傳輸技術研究進展[J].信息安全與技術，2014，5（5）：27-30.