非理想环境下基于物理层安全的无线网络性能探究

姚进

摘要：随着科学技术的迅猛发展，特别是无线网络技术的不断普及正在逐渐改变人们的生活和工作方式，同时也给无线网络安全提出了更高的要求和更为严峻的挑战。文章构建了在非理想环境下基于物理层安全的系统模型，并基于该系统模型初步研究了系统保密容量和系统保密中断概率。

关键词：非理想环境;物理层;性能

中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0184-02

0 引言

随着WIFI、Zigbee、NB-IoT、蓝牙、4G、5G等各种无线技术的广泛应用和不断普及，无线网络正在不断地改变和改善人们的生活及工作方式，与此同时，也对无线网络安全提出了更高的要求和更为严峻的挑战[1]。

在无线网络安全越来越受到重视的今天，通过为网络协议栈中的每一层加入安全机制已经成为必要的选择，而物理层的安全机制研究一直被忽略。物理层安全机制研究有很多优点，从信息论的角度出发，利用实际传播环境的信道特征，在物理层解决无线网络安全传输问题。通过在物理层对信息进行处理，可以从根本上确保信息的安全性[2]。

在实际的网络通信中，由于实际信道环境的复杂性，几乎不可能获取理想的信道状态，因此在对无线网络进行性能研究时，往往是基于非理想环境进行分析的，非理想环境下的物理层安全机制研究大多都是根据信道状态信息CSI（Channel State Information）进行分析的[3-4]。

本文章主要对非理想环境下基于物理层安全的无线网络进行了初步性能分析，本文章的主要贡献如下：

（1）文章构建了在非理想环境下基于物理层安全的系统模型。

（2）文章初步研究了系统保密容量和系统保密中断概率。

1 系统模型

如图1所示为无线能量传输模型图，如图2所示为信息传输模型图。包括信源S，新宿D，一个中继节点R，一个窃听者E，其中，窃听者E尝试对信源发送和中继节点R转发的信息进行窃听。所有的链路经历了独立相同的瑞利衰落。假定每个终端有一根天线，采用半双工模式。

如图3所示，无线能量及信息传输主要分为以下3个阶段：

（1）信宿D通过无线信号给信源S和中继R传递能量。

（2）信源S传递信息到中继节点R和信宿D。

（3）中继节点R传输信息到信宿D。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，在中继节点R处发生错误的概率小。因此，中继节点R将在解码后转发信息，否则，中继节点R保持静默。

如果R转发信息，在D，E两处都会出现发射信号的两个复制信息。可以采用选择性合并去处理两个接收的复制信号。

2 性能分析

3 结语

随着各种无线技术的广泛应用，对无线网络安全提出了更高的要求和挑战。物理层安全问题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的有效途径。本文构建了非理想环境下基于物理层安全的系统模型，并基于该系统模型对无线网络性能进行了初步分析。

参考文献

[1] 丁青锋，刘梦霞，连义翀.基于非理想CSI的全双工双向中继系统保密中断概率性能研究[J].计算机应用研究，2019（9）：1-4.

[2] 丁威.基于协作干扰的物理层安全技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2016.

[3] 王磊，管新榮，林志，等.无线网络物理层安全技术研究现状与展望[J].军事通信技术，2015，36（3）：54-60.

[4] 唐杰，潘绯，廖润发，等.多天线通信系统物理层安全可靠传输技术研究进展[J].信息安全与技术，2014，5（5）：27-30.