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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

更新时间:2019-12-22 15:01:45 大小:1M 上传用户:xiaohei1810查看TA发布的资源 标签:窄带物联网 下载积分:1分 评价赚积分 (如何评价?) 打赏 收藏 评论(0) 举报

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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传 感 技 术 学 报  
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS  
30 卷 第 期  
2017 月  
Volư 30ꢀ Noư 4  
Aprư 2017  
NB ̄IoT Security Capacity Research in the Physical Based on  
Amplifer Forward and Cooperative Jamming Strategies∗  
YU ChangshengYU LiHONG ZhenLU Qun1  
(.College of Information EngineeringZhejiang University of TechnologyHangzhou 310014Chinaꎻ  
.Nokia Solutions and Networks System TechnologyHangzhou 310052Chinaꎻ  
.Colleage of Mechanical and Automatic ControlZhejiang Sci ̄Tech UniversityHangzhou 310018China)  
Abstract:Narrow Band Internet of Things(NB ̄IoT) technology has developed rapidly in recent yearsthe 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 ̄IoTit 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 signaland the coopera ̄  
tive congestion node gives the eavesdropping node a greater interference signal than the destination nodewhich  
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 nodesenhance channel and security capacityand ensure that the  
eavesdropper cant obtain the useful information even without high layer encryption algorithm.  
Key words:NB ̄IoTphysical securitysecurity capacityamplify and forwardcooperative jammingamplify 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1  
(1.浙江工业大学信息工程学院杭州 3100142.诺基亚通信系统技术有限公司杭州 310052ꎻ  
3.浙江理工大学机械与自动控制学院杭州 310018)  
:  
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 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ꎮ  
关键词:  
窄带物联网物理层安全安全容量放大转发协作拥塞放大协作拥塞  
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 IoT 领域一种新兴的技  
也被叫作低功耗广域网(LPWA)ꎮ 其构建于蜂窝  
网络上下行各 180 kHz 频段直接部署于 2 G 4 G  
网络以降低部署成本和实现平滑升级国际组织  
3 GPP 2016 / 6 / 16 韩国釜山正式通过 NB ̄IoT 系  
列标准[] 世界通信巨头爱立信诺基亚和华为等  
都宣布将支持 NB ̄IoT[] NB ̄IoT 具备四大特点:一  
是广覆盖比现有网络覆盖增强 64 覆盖面积扩  
项目来源:国家自然科学基金青年基金项目(61304256)浙江省科技厅公益项目(2017C331532016C33034)  
收稿日期:2016 08 05ꢀ ꢀ 修改日期:2016 12 07  
万方数据  
报  
www.chinatransducers.com  
30 卷  
576  
100 二是大容量一个扇区能够支持 10 万个  
连接三是低功耗两节 AA 电池 NB ̄IoT 终端的待  
机时间可长达 10 四是低成本单个连接模块不  
超过 美元随着节点数目的急剧增加及窄带无线  
网络的开放性容易受到信息窃听消息篡改节点  
冒充等攻击其安全问题面临严重的挑战[] 迫切  
需要去研究和解决ꎮ  
挑战[] 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但随着高速量子  
计算机的出现很多传统加密算法将不再可靠另  
一方面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Wyner 在窃听信道  
模型(Wire ̄tap Channel Model)[] 下提出了物理层安  
全编码(Security Coding)的概念其系统模型如图 2  
所示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) 速率进行传输而无需  
使用密钥加密这里的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  
信息的安全性在图 传统加密模型中信息从 Alice  
Bob 有密钥加密和密钥解密过程窃听者 Eve 因  
没有密钥无法解密信息但密钥体系的算法能耗高、  
计算量大对低功耗和有限内存的物联网节点是个  
1ꢀ 传统加密系统模型  
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Li Hu[]  
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Su Mousavifar[]  
等研究了解码转发 (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  
发射功率使得总功率最小Zheng Choo[] 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从而增大了系  
统的安全容量利于数据保密传输的同时节点又能  
够获得合适的信号发射功率既可保证传感器节点  
较长时间的工作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文献[11] 还研究了多天  
线节点物理层安全容量问题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  
关系针对刚兴起的 NB ̄IoT更未有学者研究其物  
理层安全相关问题利用 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  
的优化方案推导出模型以及求解方法研究中继节  
点数量位置及功率与物理层安全容量的关系以达  
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 所示有一  
NB ̄IoT 用两天线技术中源节点  
中继节点 ( RF 为转发中继RI 为干扰中继)、  
窃听者 Eva 均配置单天线源节点 和中继节点  
为分时工作功能对等的节点源节点 和中继节  
总共数量为 一时刻节点数量为  
转发中继节点 RF 量为 扰中继节点 RI  
数据为 NB ̄IoT 蜂窝网络  
特性所有节点与 之间的信道状态均是已知节  
万方数据  

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