保密分析认知无线电网络的广义衰落信道

文摘

目前,第五代(5克)通信网络在大规模部署的时间主要因为其特点包括大带宽、快速响应和高稳定性。作为合作伙伴的5 g,物联网(物联网)包括世界各地的数以十亿计的设备,可以使无线通信环境更加智能和方便。然而,不容忽视的问题是5 g-iot网络的物理层安全。在此基础上,我们执行一个安全分析认知无线电网络(CRN)物联网,CRN的单输入输出(极点)模型κ- - - - - -μ阴影衰落与多个窃听者。分析系统的保密考虑,我们认为物联网的安全性能分析系统的帮助下得到安全停机的概率(SOP)和概率(SPSC)积极严格保密能力。作为一个验证的理论公式,蒙特卡罗模拟。结果极大的兴趣的因素,能产生更好的安全性能在高信噪比区域由小米,小 ,和更大的N,大 ,小 ,和小 。

1。介绍

第五代(5 g)网络、物联网(物联网)技术使人和事物和对象和对象之间的数据交换更加快速和智能1]。然而,物理层安全(PLS)问题,即机密物联网实体之间的信号很容易被截取和破译窃听者(2]。因此,如何提高物联网系统的保密性能是一个迫切需要解决的问题。有两种方法来解决这个问题;第一个是基于网络的加密和解密算法层及以上,另一个是提高信道的安全能力使用衰落信道的特点。近年来,后者,即物理层安全、安全研究逐渐成为一个热门话题。基于信道容量理论(3)和经典的怀纳的窃听模型(4),魏等人在5]描述了最优人工噪声功率,确保最好的antieavesdropping能力窃听网络经历瑞利衰落。非正交多重的请访问(NOMA)网络(6)和传送5 g网络(7)与瑞利渠道开发。作者在8]研究了影响怀纳的安全能力的主要因素,基于Rician通道的模型,在分析SOP是推导和证明。不理想的物联网网络的物理性能和安全性Nakagami -米衰落信道进行了通过两个重要指标,即中断概率(OP)和拦截概率(IP) (9]。

不同于上述渠道,推广渠道的普遍性,可以相当于其他衰落信道,最近已经得到广泛的重视。(10- - - - - -16]。在充分考虑实际的不利因素的前提下的传送无线通信网络(WCNs)威布尔频道,李et al。10)完成了OP的精确公式的推导和渐近线。工作(11)开发的概率密度函数(PDF)的近似表达式,获得了SOP的分析古典怀纳的广义系统K衰落通道。的基础上提出物联网中继网络,作者的12]研究OP的理论推导和仿真分析和平均符号错误概率(希腊高级人才选拔委员会)推荐。在[13),当所有遭受窃听中的链接网络κ- - - - - -μ衰落,Bhargav等人派生SOP的下限和SPSC的闭合表达式。不完美的信号传输的情况下,作者在14)获得OP在考虑模型的理论公式α- - - - - -μ衰落与两个不同的场景。指的是怀纳古典窃听模型,香港等人推导和分析了SOP和非零的概率保密能力(PNZ)的福克斯的h函数(15渠道和Fisher-SnedecorF(16渠道,分别。

最近,安全问题是非常重要的互联网的车辆等受欢迎的应用程序(17),神经网络(18),和大数据19]。作为发展战略来解决频谱稀缺和功率分配的障碍在物联网网络,CRN可以显著提高传输范围和质量得到了极大的关注最近文献[20.- - - - - -26]。借助人工噪声,在二级网络的IP在高斯信道研究[20.]。多个二级用户的合作将进一步加强CRN的能力;在此基础上,提出了两种不同的协议,可以实现遍历保密率(ESR)是用于分析的安全性能考虑系统[21]。利用CRN网络遭受了瑞利衰落和有合法与多个天线、接收机的作者(22)提供的推导PNZ和SOP。在[23,24)、雷等人研究了安全性能的crn经历Nakagami -米衰落和广义-K分别衰落。张等人的研究。25]提出了一种方法来改善初级和二级网络安全能力的同时,讨论了功率分配的策略和乐队共享。作者在26]研究了非正交多重存取的保密性能(NOMA) CRN Nakagami -米衰落通道,连接中断概率(COP), SOP,有效保密吞吐量(EST)得到一个统一的形式。

最近,κ- - - - - -μ跟踪模型首次引入了巴黎(27),它是一个广义的衰落信道,可以简化为瑞利,Rician阴影,单面高斯,Nakagami -米,κ- - - - - -μ在合适的条件下。此外,κ- - - - - -μ阴影衰落可以应用到不同的系统包括物联网链接(28),卫星频道(29日),和水下链接(30.]。根据拟议中的移动通信模型κ- - - - - -μ阴影衰落,作者的31日]研究了传输性能通过分析OP和遍历通道(ECC)的能力。的统计特性不同的阴影κ- - - - - -μ消失在[派生32),封闭PDF和累积分布函数(CDF)信封,信噪比(信噪比),分别。工作(33]研究了六角网络的中断性能的影响κ- - - - - -μ阴影衰落的性能指标分析,即中断概率和利率。太阳等人在34]介绍了SOP和SPSC系统的推导κ- - - - - -μ阴影分布,合法用户和窃听者都是单天线接收器。是延续的34),单网络的安全分析和再生(DF)传送网络(35,36]。

到目前为止,我们还没有发现相关研究基于CRN结束κ- - - - - -μ阴影分布开放数据库,更不用说多个天线和multieavesdroppers的存在。因此,结合multiantenna技术的优势(37,38),本文探讨了。我们首先提出一个CRN对物联网,子信道进行κ- - - - - -μ阴影衰落。然后,我们推导出数学表达式的SOP和SPSC条件下多个窃听者。最后,还提供了蒙特卡罗模拟与数学分析;此外,得到了一些有价值的结论。工作可以提供理论依据的安全绩效评估WCNs(汽车5克、互联网等)。

本文安排如下;本节主要介绍了背景,相关文献,和动力。节2,我们将解释的CRN模型物联网κ- - - - - -μ阴影衰落通道和通道与多个窃听的PDF和CDF终端也说明。SOP的分析提出了部分3。SPSC是部分的理论推导4。部分5提供了数值结果和一些有趣的结果。论文的结论出现在部分6。

2。物联网系统模型和属性的推广渠道

2.1。物联网系统模型

工作认为物联网的CRN四个实体模型,如图1,在那里年代二级网络的数据源,而P主网络的发送者,D是预设的接收器,它使用多个天线接收信号。有许多窃听者 配备多个天线 。二级网络组成年代,D,E。衬底CRN使频谱共享成为可能,但成本的力量年代不会影响通信的主要网络。被解释为链接的信道系数 和信道系数的主要环节 和窃听链接 是和 ,分别。应该注意的是,和向量,因为multiantenna招待会吗D和E。在我们的模型中,我们考虑被动窃听场景,在年代不知道窃听信道状态信息(CSI)的链接,但是掌握CSI的主要链接。

年代将与P,D,E在考虑物联网网络在同一时间。假设的秘密信号年代是 ;然后,我们有 在哪里的输出功率是年代,收到的信号吗P,复高斯白噪声在链接的年代来P统计的期望是零,标准差是吗 。 和代表的接收信号矩阵D和E,而和表示噪声矩阵和两个标准差 。

2.2。推广渠道的性质

推广渠道考虑物联网模型κ- - - - - -μ阴影衰落信道。本节描述其统计特性,主要包括pdf CDFs的信噪比和链接 ,链接 ,和链接 。依靠(27),的PDFκ- - - - - -μ跟踪变量可以表示为 参数用于确定在哪里κ- - - - - -μ跟踪变量 , ,和 。 和被描述为瞬时信噪比和平均信噪比κ- - - - - -μ阴影衰落通道,表示γ函数(方程(8.310.1)[39)),被定义为合流超几何函数(方程(9.14.1)[39分别])。

根据(2)和(34),我们可以获得信噪比的PDF和CDF链接 作为 在哪里 , 。年代在右下角显示参数属于频道 。

因为预期的接收者(D)天线和采用最大比合并(MRC)合并,随机变量(RV)的pdf 可以制定为(35] 在哪里意味着Pochammer计算(39]。从(4),我们可以推断出CDF房车 作为 监听通道 与多个窃听者合作。采用(35),我们可以获得窃听的PDF链接

3所示。SOP分析

物联网系统,我们需要明确的基准来衡量其安全性能(40]。对于被动窃听场景被认为是在我们的模型中,安抚非常合适的标准,可以被理解为瞬时容量之间的差值的概率的主要链接,窃听链接的容量小于一个固定的阈值(41),和SOP可以写成 在哪里瞬时容量值之间的差异吗 和 。

两个约束条件,必须考虑在衬底CRN (i)的力量年代不能超过最高功率值和(2)的力量年代不应超过阈值的抗干扰能力主要的网络。指的是(9)和(24),在衬底CRN SOP可以表示为 在哪里X是链接的瞬时信噪比的 。接下来,我们将推出和在(9)。

3.1。计算

可进一步写成 在哪里 和 ,我们获得

采用(6)和(7),我们有 在哪里 利用方程(1.111)(39),

然后,利用方程(3.381.4)(39),一个更复杂的积分操作后,我们有 在哪里

从(4),是派生

3.2。计算

它可以看到从(9),是说

指的是(22),我们可以重写作为 在哪里

在(20.), 。通过(6)和(7),可以推导出 在哪里

替换在(19)和(21),那么,在完成通过使用积分方程(3.351.2)(39),我们获得的推导作为 在哪里 被称为不完全伽马函数(方程(8.350.2)[39])。

根据(15),(17),(23)和(9),我们最后推断SOP的理论分析公式。

4所示。SPSC分析

对于被动窃听场景,SPSC常被用来调查WCNs的机密性;因此,我们探索物联网的SPSC网络在这一节中。根据[SPSC的定义41),我们知道它可以理解瞬时容量之间的差异值的概率主要通道和偷听通道不小于零,可作为制定

为在(24),取代了积分项后(6)和(7),我们可以获得

最后,采用(24),我们可以完成SPSC的证明。

5。数值结果

在这一部分,我们执行的理论模拟(9)和(24)。验证的正确性,蒙特卡罗模拟也获得了与分析结果进行比较。从仿真图(数字2- - - - - -9),我们可以获取以下信息。(我)的所有分析与统计模拟曲线曲线吻合良好。(2)所有仿真结果与横坐标变化,即 ,和变化趋势表明一个大可以提高物联网系统的安全性。此外,matlab仿真表明,该解析表达式包括无穷级数的收敛条件的上限55倍周期。

数据2和3表明SOP和SPSC变化当米需要不同的值。从图2我们可以看到,当是固定的,SOP的价值将上升的崛起米。在图3的增加,米将导致SPSC的减少。此外,所代表的曲线之间的距离不同米更大。因此,我们得出结论,窃听者的数量的增加会显著降低物联网模型的性能。

上的天线数量的影响安全性能提供了数据4和5。我们假设 。根据仿真曲线,一个有价值的发现是,当横坐标的值大于9分贝;天线数目的增加,例如,N,将减少SOP和增加SPSC。这意味着,在高信噪比的机制下,安全可以提高通过增加接收天线的数量。相反,在小信噪比的情况下,天线的数量的增加将减少安全的能力。

当形状参数和广义信道变化,安全分析数据所示6和7。我们假设 和 ,其中下标年代,D,E显示链接 , ,和 ,分别。指的是数据6(一)和7(一),我们可以看到,逐渐增加导致SPSC增加SOP和减少 dB。然而,增加的影响对物联网系统是相反的基于数据6 (b)和7 (b)。

意味着抗干扰能力的阈值的主要网络。图8描述影响SOP的物联网网络正在考虑。R_在代表安全能力的阈值的中断,其变化对系统性能的影响见图9。当我_P变化从5 dB−7 dB,然后到15分贝从0.1 dB 0.5 dB,然后1 dB, SOP逐渐递减的变化趋势。因此,我们可以发现小和小将会增加系统安全性中断的概率。此外,有趣的是,的影响安全是更重要的比 。

也是一个重要的参数κ- - - - - -μ阴影分布代表阴影衰落的程度。仿真结果表明,在高信噪比,增加将改善SPSC和减少SOP,但曲线之间的差异非常小。换句话说,所带来的影响在安全性能不明显。

良好的安全性能要求尽可能小SOP和SPSC尽可能大。通过上述分析的模拟,我们可以获得更大米更大的 ,和小N会恶化系统的安全,当信噪比大。与此同时,我们也知道大 ,小 ,和小将增强安全性能。

6。结论

在本文中,我们探索PHY层安全的衬底crn物联网网络在广义衰落信道的基础上派生的SOP和SPSC。CRN模型与多个天线可以用在许多不同的情况。SOP和SPSC派生的分析公式简洁的形式。分析公式的准确性验证了蒙特卡罗模拟。此外,我们将讨论其中的影响参数米,N, , , ,和物联网的安全网络。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是支持由中国国家自然科学基金会拨款41174158,国土资源部中华人民共和国特殊项目下的公共利益授予201311195 - 04。

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