非理想环境下基于广义选择合并策略的无线网络系统模型构建

姚进 王建勇 王来志

摘要：基于物理层安全的研究逐渐成为无线网络安全技术研究的重要方向，而协作策略、系统模型又是物理层安全研究的核心模块，本文针对非理想信道环境，基于物理层安全理论初步分析了广义选择合并策略，并在此基础上构建了无线网络系统模型。

关键词：非理想环境;广义选择合并策略;系统模型;物理层安全

中图分类号：TN915.08 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）10-0068-02

1 概述

无线网络安全机制研究一直是无线网络技术研究的核心内容。如图1所示为无线网络协议栈架构，当今社会，随着各种无线业务的广泛应用，无线网络安全越来越受到人们的重视，需要从网络协议栈整体角度出发，为协议栈的每一层都加入安全机制已经成为一种必然。然而，在無线网络安全的不断发展创新的过程中，网络协议栈中的物理层安全机制的研究却一直被忽视。

物理层安全的研究从信息论角度出发，研究如何利用无线环境的复杂特性，如何把原本看似不利的因素转变为有利于提升网络安全性能的东西，物理层安全技术的研究是无线网络安全性能研究的必然趋势，是进一步提高无线网络安全性能的有效途径。将物理层安全的现有研究成果应用到协作中继系统中来，还有一些问题需要解决，主要包括：如何针对协作中继系统不同应用场景建立不同的系统模型，如何协调中继节点参与转发提高安全性能等。

本文章主要针对非理想信道环境下的无线网络，基于物理层安全理论初步分析了广义选择合并策略，并在此基础上构建无线网络系统模型。

2 协作通信策略

2.1合并技术。合并策略指接收端接收到多路信号后，采用一定的策略对多路信号进行合并处理。通信系统常用的合并技术如下所述：

a），选择合并技术

选择合并指在接收到的多路信号中，将信噪比最大的那一路信号进行输出。

b），等增益合并技术

等增益合并指将各个信道的信号进行等权重合并，因此不需要知道各信道的实际情况，是一种比较简单的线性合并。

c），最大比合并技术

最大比合并指将各个信道的信号进行加权重合并，不同信道的加权系数不一样，信噪比越大的信号加权系数越大。

d），广义选择合并技术

广义选择合并指根据一定的策略灵活地选择若干个信道状态好的多路信号进行合并。

综上所述，最大比合并技术需要评估所有路径的信息，能够提供很好的性能，但是该方式会增加系统的复杂性。目前，采用选择合并策略是研究无线网络物理层安全最常见的一种方式，但是采用该策略能实现的性能稍差，原因是只需要选择1条路径的信息，复杂性也会低很多。广义选择合并技术在接收端选择合并信道状态好的若干个信号，相比最大比合并和选择合并方式，广义选择合并方式综合考虑了系统性能和系统复杂性，在研究无线网络物理层安全时，采用广义选择合并策略是一种相对合适的策略。

2.2中继转发策略。中继转发策略包括放大转发中继策略和解码转发中继策略。放大转发策略是指在接收到信号后，不需要解码，直接对接收到的信号进行放大处理，采用该策略不好的地方，中继不仅把有用信号放大了，把噪声信号也放大了。解码转发策略是指在接收到信息后，需要先对接收到的信号进行解码，再对信号进行放大，因而实际放大的信号是有有用信号，采用该中继转发策略对于提升网络性能有很大帮助。

3 系统模型

信源节点S在传送信息时可获得多个中继节点R的协助。所有终端设备配备1根发射天线，信宿D配备X（X≥ 1）个接收天线，在信宿D处采用了广义选择合并策略，能够处理来自于中继R的多个接收信号。

该系统模型下，协作通信过程可以分为下面几个阶段：

（1）直传阶段：源节点发送信号，N个中继节点R和1个信宿D接收信号。

（2）中继阶段：中继节点R采用信源-中继链路接收信号的瞬时信噪比SNR，该信噪比是衡量中继传输可靠性的一个指标。当信噪比SNR大于预先设定的门限值日γ0，在中继节点R处发生错误的概率小，因此，如果中继节点R进行解码并转发该信息出错概率小。同时，根据信道状态信息筛选出信号最好的K1 ≤ K ≤ X）个中继信号，参与协作的K个中继节点依次对直传阶段接收到的信号进行处理并转发到信宿D。

（3）合并阶段：信宿D对（1+K）路信号采用广义选择合并策略进行合并处理。在该系统模型下，系统可获得更高的分集增益。但随着协作中继节点数量的增加，系统开销也会增大。

4 结语

无线网络的一些特点，如开放的信道环境、不固定的网络拓扑结构、以及某些无线网络自组网形式等等，都导致了无线网络的安全问题要远比有线网络的安全问题更为严重。物理层安全技术研究是无线网络安全技术研究的一个重要方向，而协作策略、系统模型的研究是物联层安全技术研究的核心模块，本文初步研究了非理想环境下基于广义选择合并策略的无线网络系统模型。

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