移动无线传感器网络系统的物理层安全性能分析*

王 涵,徐凌伟,肖平平,袁易君(.宜春学院物理科学与工程技术学院,江西 宜春 336000;.青岛科技大学信息科学技术学院,山东 青岛 6606)

随着智能终端的普及和移动物联网新业务的不断涌现,现有的无线技术已无法满足未来通信的需求,这促进了第五代移动通信技术的发展,成为国内外移动通信领域的研究热点[1-3]。根据“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)”,移动无线传感器网络将作为重点领域及其优先主题,受到国家政策上的支持[4]。无线传感器网络WSNs(Wireless Sensor Networks)受到了国内外学术及工业界广泛的关注[4-6]。移动无线传感器网络可以应用于智能交通、医疗健康和海洋探测等众多领域[7-8]。移动无线传感器网络应用领域的无线通信环境非常复杂,电波信号会受到地形、建筑物、车辆的遮蔽,所以其信号的路径衰减比平坦衰落信道的衰减要严重许多,对移动无线传感器网络系统的性能进行研究和评价就显得尤为重要。

由于移动无线信道的开放性、终端和网络架构存在移动性和多样性,移动无线传感器网络系统的物理层安全问题日益凸显,己成为下一代移动通信关键技术下的研究热点[9-12]。

近年来,国内外学术界在多个方面对移动传感器网络物理层安全技术进行了研究。Wyner定义了经典的窃听信道模型Wyner 模型[13]。Barros J等人给出了Rayleigh信道上Wyner 模型的平均安全容量ASC(Average Secrecy Capacity)、安全中断概率SOP(Secrecy Outage Probability)、非零安全容量概率SPSC(Strictly Positive Secrecy Capacity)的闭式表达式,并与高斯信道上的安全性能进行了对比[14]。Sarkar M Z I等人研究了统计独立的Nakagami-m信道上存在多个窃听节点时的安全通信问题,给出了ASC、SOP 和 SPSC的闭式表达式[15]。Liu X研究了Log-normal信道上的安全通信性能,推导出存在单个和多个窃听节点时的SPSC的闭式表达式[16]。重庆大学的雷宏江研究了Gerenlized Gamma 信道上的安全通信性能,推导了ASC、SOP 和SPSC的闭式表达式[17]。张亚军等人提出一种联合发端天线选择和收端人工噪声的物理层安全传输方法[18]。西安交通大学的杨斌等人提出了一种基于混合信号的三阶段的传输方法,该方法用来保证传输过程中的保密性能[19]。

通过分析发现,现有关于无线传感器网络物理层安全性能的研究主要针对Rayleigh,Nakagami等信道建立了分析模型。但是移动无线传感器运动较快,导致周边的散射环境变化显著,移动通信信道不能采用Rayleigh,Nakagami等平坦衰落的信道方式进行描述。在移动通信领域,Rayleigh,Nakagami等信道模型就具备一定局限性,并不能确切地描述移动通信信道的动态特性。实验和理论研究表明,2-Nakagami 能够更灵活地表征无线信道的衰落特性,相比Rayleigh,Nakagami等信道模型具备更广泛的适用性[20-23]。因此,本文基于2-Nakagami信道环境下,建立移动无线传感器网络系统的物理层安全性能分析模型,并以ASC、SOP、SPSC等为指标量化地分析物理层安全性能。通过Monte Carlo仿真,验证分析了系统的物理层安全性能。

图1 移动无线传感器网络系统模型

1 系统模型

本文采用的移动无线传感器网络系统模型为Wyner模型[24],包括一个移动信源(S)传感器节点、一个移动合法目的端(D)传感器节点和一个移动窃听者(E)传感器节点,如图1所示。S发送信息给D,同时会被E通过窃听信道获取。它们之间的无线信道采用的是2-Nakagami信道。

Z表示信道增益,服从2-Nakagami分布[21]

(1)

式中:N表示衰弱因子,al服从Nakagami分布。al的概率密度函数为

(2)

m表示衰弱系数,Ω=E[|a|2],E表示求均值。

Z的概率密度函数为[21]

(3)

在D和E处,接收信号分别为

yk=Zks+w,k∈{D,E}

(4)

式中:s表示发射信号,w为加性复高斯噪声。

用ES表示s的平均能量,N0表示w的单边功率谱密度,所以其接收信噪比为

(5)

其平均接收信噪比为

(6)

则γk的概率密度函数表示为

(7)

γk的累计分布函数表示为

(8)

2 系统性能分析

2.1 ASC

瞬时安全容量定义为[25]

CS=max{ln(1+γD)-ln(1+γE),0}

(9)

因此平均安全容量ASC可以表示为

(10)

将式(7)和式(8)代入式(10),可以分别得到:

(11)

(12)

(13)

2.2 SOP

安全中断概率SOP表示为

FSOP=Pr(CS(γD,γE)<γth)

=Pr(γD<βγE+β-1)

(14)

β=exp(γth)

(15)

式中:γth是给定的目标安全容量门限值。

由于式(14)中含复杂的函数运算,不存在闭式解。所以本文根据文献[17]中的方法,计算其下界为

(16)

2.3 SPSC

非零安全容量SPSC表示为

FSPNC=Pr(CS(γD,γE)>0)=Pr(γD>γE)

(17)

将式(7)和式(8)代入式(17),可以得到

(18)

3 数值仿真

图2 不同衰弱信道下的ASC性能

图3 移动无线传感器网络系统的ASC性能

图4 移动无线传感器网络系统的SOP性能

图5 移动无线传感器网络系统的SPSC性能

图6 γth对系统SOP性能的影响

4 结束语

本文基于Wyner窃听模型,研究了在2-Nakagami信道下移动无线传感器网络系统的物理层安全性能,分别推导出ASC、SOP和SPSC的闭式表达式。首先仿真分析了不同衰落信道下,移动传感器网络的ASC性能,得出系统在2-Nakagami信道下的ASC性能最佳。然后在不同条件下,通过仿真对系统在2-Nakagami信道下的安全性能做了验证分析。