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基于放大转发和协作拥塞的窄带物联网物理层安全容量研究
资料介绍
基于蜂窝的窄带物联网NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技术发展迅猛,随着节点数目的急剧增加及窄带无线网络的开放性,其安全问题面临严重的挑战.针对NB-IoT的不可信或窃听节点会带来严重安全威胁的问题,利用其上下行信道状态可知和半双工的特性,提出利用中继节点地放大转发、协作拥塞及联合协作保障物理层安全.放大转发节点对源信号进行放大和转发,协作拥塞节点发射干扰信号,调整波束赋形因子和功率使干扰到达目的节点为零而到达窃听者非零.仿真表明,中继节点所带来的分集增益能显著改善接收节点的信号质量,提升5倍安全容量,在不需要加密算法的情况下,确保窃听者无法获取有用信息,保证信息传输的安全.安全容量是指合法接收端可以正确接收,而窃听者即无法获取信息的最大可达通信速率.
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ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
第 ３０ 卷 第 ４ 期
２０１７ 年 ４ 月
Ｖｏｌư ３０ꢀ Ｎｏư ４
Ａｐｒư ２０１７
ＮＢ￣ＩｏＴ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ
Ａｍｐｌｉｆｅｒ Ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｊａｍｍｉｎｇ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ∗
ＹＵ Ｃｈａｎｇｓｈｅｎｇ１ꎬ２ꎬＹＵ Ｌｉ１ꎬＨＯＮＧ Ｚｈｅｎ３∗ꎬＬＵ Ｑｕｎ１
(１.Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＺｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.Ｎｏｋｉａ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ Ｓｙｓｔｅｍ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｎｇｚｈｏｕ ３１００５２ꎬＣｈｉｎａꎻ
３.Ｃｏｌｌｅａｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＣｏｎｔｒｏｌꎬＺｈｅｊｉａｎｇ Ｓｃｉ￣Ｔｅｃｈ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ(ＮＢ￣ＩｏＴ) ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｒａｐｉｄｌｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓꎬｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ
ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｆａｃｉｎｇ ａ ｓｅｒｉｏｕｓ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｈａｒｐ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｎｏｄｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｎｎｅｓｓ ｏｆ ＮＢ￣ＩｏＴ. Ｉｎ
ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｅｒｉｏｕｓ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｔｈｒｅａｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｎ ｔｒｕｓｔｅｄ ｏｒ ｅａｖｅｓｄｒｏｐｐｉｎｇ ｎｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＮＢ￣ＩｏＴꎬｉｔ ｉｓ ｐｒｏ￣
ｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｃａｎ ｂｅ ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｆｙ ａｎｄ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ
ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｙ ｎｏｄｅｓ. Ａｍｐｌｉｆｙ ａｎｄ ｆｏｒｗａｒｄ ｒｅｌａｙ ｎｏｄｅｓ ａｍｐｌｉｆｙ ａｎｄ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｓｉｇｎａｌꎬａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｏｐｅｒａ￣
ｔｉｖｅ ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ ｎｏｄｅ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｅａｖｅｓｄｒｏｐｐｉｎｇ ｎｏｄｅ ａ ｇｒｅａｔｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ ｎｏｄｅꎬｗｈｉｃｈ
ｂｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｇａｉｎ ｔｏｇｅｔｈｅｒ. Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｇａｉｎ ｂｒｏｕｇｈｔ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅｌａｙ ｎｏｄｅｓ ｃａｎ ｓｉｇ￣
ｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｎｏｄｅｓꎬｅｎｈａｎｃｅ ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｄ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｃａｐａｃｉｔｙꎬａｎｄ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｅａｖｅｓｄｒｏｐｐｅｒ ｃａｎ’ｔ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｕｓｅｆｕｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｖｅｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ｈｉｇｈ ｌａｙｅｒ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ＮＢ￣ＩｏＴꎻｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｅｃｕｒｉｔｙꎻｓｅｃｕｒｉｔｙ ｃａｐａｃｉｔｙꎻａｍｐｌｉｆｙ ａｎｄ ｆｏｒｗａｒｄꎻｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｊａｍｍｉｎｇꎻａｍｐｌｉｆｙ ａｎｄ
ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｊａｍｍｉｎｇ
－
ＥＥＡＣＣ:７２３０ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ｄｏｉ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００４ １６９９.２０１７.０４.０１６
基于放大转发和协作拥塞的窄带物联网
物理层安全容量研究∗
余昌盛１ꎬ２ꎬ俞ꢀ 立１ꎬ洪ꢀ 榛３∗ꎬ陆ꢀ 群１
(１.浙江工业大学信息工程学院ꎬ杭州 ３１００１４ꎻ２.诺基亚通信系统技术有限公司ꎬ杭州 ３１００５２ꎻ
３.浙江理工大学机械与自动控制学院ꎬ杭州 ３１００１８)
摘ꢀ 要:
基于蜂窝的窄带物联网 ＮＢ￣ＩｏＴ(Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ)技术发展迅猛ꎬ随着节点数目的急剧增加及窄带无线
网络的开放性ꎬ其安全问题面临严重的挑战ꎮ 针对 ＮＢ￣ＩｏＴ 的不可信或窃听节点会带来严重安全威胁的问题ꎬ利用其上下行信
道状态可知和半双工的特性ꎬ提出利用中继节点地放大转发、协作拥塞及联合协作保障物理层安全ꎮ 放大转发节点对源信号
进行放大和转发ꎬ协作拥塞节点发射干扰信号ꎬ调整波束赋形因子和功率使干扰到达目的节点为零而到达窃听者非零ꎮ 仿真
表明ꎬ中继节点所带来的分集增益能显著改善接收节点的信号质量ꎬ提升 ５ 倍安全容量ꎬ在不需要加密算法的情况下ꎬ确保窃
听者无法获取有用信息ꎬ保证信息传输的安全ꎮ 安全容量是指合法接收端可以正确接收ꎬ而窃听者即无法获取信息的最大可
达通信速率ꎮ
关键词:
窄带物联网ꎻ物理层安全ꎻ安全容量ꎻ放大转发ꎻ协作拥塞ꎻ放大协作拥塞
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中图分类号:ＴＮ９２ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 文献标识码:Ａꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 文章编号:１００４ １６９９(２０１７)０４ ０５７５ ０７
ꢀ ꢀ 窄带物联网 ＮＢ￣ＩｏＴ 是 ＩｏＴ 领域一种新兴的技
术ꎬ也被叫作低功耗广域网(ＬＰＷＡ)ꎮ 其构建于蜂窝
网络ꎬ上下行各 １８０ ｋＨｚ 频段ꎬ直接部署于 ２ Ｇ 或 ４ Ｇ
网络ꎬ以降低部署成本和实现平滑升级ꎮ 国际组织
３ ＧＰＰ 在 ２０１６ / ６ / １６ 韩国釜山正式通过 ＮＢ￣ＩｏＴ 系
列标准[１] ꎮ 世界通信巨头爱立信、诺基亚和华为等
都宣布将支持 ＮＢ￣ＩｏＴ[２] ꎮ ＮＢ￣ＩｏＴ 具备四大特点:一
是广覆盖ꎬ比现有网络覆盖增强 ６４ 倍ꎬ覆盖面积扩
项目来源:国家自然科学基金青年基金项目(６１３０４２５６)ꎻ浙江省科技厅公益项目(２０１７Ｃ３３１５３ꎬ２０１６Ｃ３３０３４)
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收稿日期:２０１６ ０８ ０５ꢀ ꢀ 修改日期:２０１６ １２ ０７
万方数据
传ꢀ 感ꢀ 技ꢀ 术ꢀ 学ꢀ 报
ｗｗｗ.ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ.ｃｏｍ
第 ３０ 卷
５７６
大 １００ 倍ꎻ二是大容量ꎬ一个扇区能够支持 １０ 万个
连接ꎻ三是低功耗ꎬ两节 ＡＡ 电池 ＮＢ￣ＩｏＴ 终端的待
机时间可长达 １０ 年ꎻ四是低成本ꎬ单个连接模块不
超过 ３ 美元ꎮ 随着节点数目的急剧增加及窄带无线
网络的开放性ꎬ容易受到信息窃听、消息篡改、节点
冒充等攻击ꎬ其安全问题面临严重的挑战[３] ꎬ迫切
需要去研究和解决ꎮ
挑战[４] ꎮ 此外传统加密算法基于现有计算机无法
在短时间内对其进行破解设计的ꎮ 但随着高速量子
计算机的出现ꎬ很多传统加密算法将不再可靠ꎮ 另
一方面ꎬ无线信道的相位、时变、多径、衰落等特性为
物理层安全的研究提供了可能ꎮ Ｗｙｎｅｒ 在窃听信道
模型(Ｗｉｒｅ￣ｔａｐ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｏｄｅｌ)[５] 下提出了物理层安
全编码(Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｃｏｄｉｎｇ)的概念ꎬ其系统模型如图 ２
所示ꎮ 他证明了秘密信息可以通过安全编码以保密
安全容量(Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｃａｐａｃｉｔｙ) 速率进行传输ꎬ而无需
使用密钥加密ꎮ 这里的安全容量是指合法接收端可
以正确接收ꎬ而窃听者即无法获取信息的最大可达
通信速率ꎮ
传统安全措施是在物理层以上通过加密来保证
信息的安全性ꎬ在图 １ 传统加密模型中信息从 Ａｌｉｃｅ
到 Ｂｏｂ 有密钥加密和密钥解密过程ꎬ窃听者 Ｅｖｅ 因
没有密钥无法解密信息ꎬ但密钥体系的算法能耗高、
计算量大ꎬ对低功耗和有限内存的物联网节点是个
图 １ꢀ 传统加密系统模型
图 ２ꢀ 基于物理层的安全系统模型
ꢀ ꢀ 学者们也在研究物理层安全问题ꎮ Ｌｉ 和 Ｈｕ[６]
１ꢀ 系统模型
等通过在窃听者的接收方向上添加人工噪声干扰ꎬ
大大降低了窃听者的信道质量ꎮ Ｓｕ 和 Ｍｏｕｓａｖｉｆａｒ[７]
等研究了解码转发 ＤＦ(Ｄｅｃｏｄｅｄ ａｎｄ Ｆｏｒｗａｒｄ) 策略
和协作拥塞 ＣＪ(Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｊａｍｍｉｎｇ)策略下协作通
信物理层安全问题ꎬ并在安全容量大小受限情况下
推导出了每个中继节点的波束赋形因子和源节点的
发射功率ꎬ使得总功率最小ꎻＺｈｅｎｇ 和 Ｃｈｏｏ[８] 等通过
结合凸优化和一维搜索的方法获得了 ＣＪ 策略下协
本文的 ＮＢ￣ＩｏＴ 系统选择由 ４ Ｇ 发展来的 ＮＢ￣
ＬＴＥ(Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ) 技术[１２ １３] ꎬ
－
研究网络中节点保密安全容量的优化问题ꎬ即中继
节点数量和位置及功率对物理层安全容量的关系ꎮ
通过调节中继节点的波束赋形因子来提升目的节点
端的信噪比、降低窃听者端的信噪比ꎬ从而增大了系
统的安全容量ꎬ利于数据保密传输的同时ꎬ节点又能
够获得合适的信号发射功率ꎬ既可保证传感器节点
较长时间的工作ꎬ又能使节点发射信号时产生的对
其他节点信道的干扰达到合理的范围ꎬ使整个网络
达到一种平衡的状态ꎮ
－
作通信物理层安全的优化方案ꎮ 文献[９ １０] 结合
博弈论研究了无线传感器网络中传感器节点进行合
作通信策略选择的问题ꎮ 文献[１１] 还研究了多天
线节点物理层安全容量问题ꎮ 但这些文献都没有研
究协作节点数量、距离以及功率分配与安全容量的
关系ꎮ 针对刚兴起的 ＮＢ￣ＩｏＴꎬ更未有学者研究其物
理层安全相关问题ꎮ 利用 ＮＢ￣ＩｏＴ 具有蜂窝网络上
下行信道状态可知、基站支持多天线、具有上行功率
控制等特性ꎬ本文提出放大转发 ＡＦ ( Ａｍｐｌｉｆｙ ａｎｄ
Ｆｏｒｗａｒｄ)、协作拥塞以及联合协作通信物理层安全
的优化方案ꎬ推导出模型以及求解方法ꎬ研究中继节
点数量、位置及功率与物理层安全容量的关系ꎬ以达
到整体网络能量和性能的最优性ꎮ
协作通信 ＮＢ￣ＩｏＴ 系统模型如图 ３ 所示ꎮ 有一
个 ＮＢ￣ＩｏＴ 基站 Ｄꎬ采用两天线技术ꎬ其中源节点
Ｓ、中继节点 Ｒ( ＲＦ 为转发中继ꎬＲＩ 为干扰中继)、
窃听者 Ｅｖａ 均配置单天线ꎮ 源节点 Ｓ 和中继节点
Ｒ 为分时工作功能对等的节点ꎬ源节点 Ｓ 和中继节
点 Ｒ 总共数量为 Ｋ 个ꎮ 某一时刻ꎬ源节点数量为
１ꎬ转发中继节点 ＲＦ 数量为 Ｍꎬ干扰中继节点 ＲＩ
＋
＋
数据为 Ｎꎬ１ Ｍ Ｎ≤Ｋꎮ 根据 ＮＢ￣ＩｏＴ 的蜂窝网络
特性ꎬ所有节点与 Ｄ 之间的信道状态均是已知ꎬ节
万方数据
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