节能传输基于直接联系:对安全合作的物联网

文摘

在这篇文章中,物联网的安全的上行传输场景(物联网)应用研究,其中一个的多个传感器与控制器通信辅助合作继电器。首先,考虑到直接的联系,提出了节能传输方案(缺钱),可适用于资源受限的设备和应用程序在物联网通信。此外,保密中断概率(SOP)和安全的能源效率(见)的不同的传播策略,导致设计的节能安全的传输。最后,仿真结果表明,邂逅了优于其他传输协议的看到在大多数情况下。提高保密性能和能源效率的物联网部署的特点可以作为一种有效的附加策略的实际应用。

1。介绍

物联网(物联网),作为一个重要的架构在第五代(5 g)移动通信系统,吸引了世界各地的戏剧性的兴趣(1- - - - - -3]。然而,大多数的一般物联网终端设备资源受限,导致低的计算能力和能源存储容量。一般来说,有必要对物联网应用在低功率运行。与此同时,因为大多数设备都是电池驱动的传感器节点,不能取代基于某些原因,如被嵌入在一个人体,这些传感器需要工作很长一段时间没有人工干预(4]。因此,能源效率在物联网系统尤其值得关注。

合作传输无线通信被认为是一种很有前途的解决方案,以节省发射机的功率,提高吞吐量,提高通信的可靠性(5]。由于物联网设备的资源有限,就业的中继传输是至关重要的物联网来应对能源效率的问题。传统的合作协议已被许多研究人员深入研究[6,7),如amplify-and-forward (AF)和再生(DF),在DF可以进一步细分为固定DF和选择性DF (8),以及合作干扰(CJ) [9,10]。特别是,CJ方案,继电器不向前保密信息而发出干扰信号(也称为人工噪声)干扰偷听者。值得注意的是,一个常见的问题在6- - - - - -10)是,源和目标之间的直接联系是未开发的。

另一方面,它也需要考虑物联网的安全与隐私问题。显然,并不是所有设备连接通过物联网能够访问网络数据。此外,无线通信通道是开放的,这也可能导致窃听风险造成的未经授权的用户。一般来说,安全一直以来都被视为一个需要解决的问题通过高层计算方法。然而,物理层安全(PLS),这是一个新兴的方法来确保无线通信的安全,已成为一个有效的补充现有的解决方案。无线请而言,其基本思想是利用无线信道的特点,可靠地传输信息从源到目标接收方以及确保信息的机密性,也就是说,不要被截取或窃听(11]。近年来,请技术已经广泛地探讨,以确保未来无线通信的安全,因为它可以提供新的网络架构的安全,比如物联网。不幸的是,能源效率合作请还没有引起足够的关注的继电器网络和物联网的场景。

请的测量通常可用性相关的信道状态信息(CSI)来源。当源清楚全球CSI,机密信息不会泄漏的偷听者通过适应安全编码率;因此,所谓完美的秘密可以实现(12]。在这种情况下,测量的安全保密能力(13- - - - - -15]。然而,假设知道全球CSI太浓很容易实现,因为它需要目的地报告其位置信息;此外,窃听者合作给反馈CSI源也是必需的。显然,上述要求可能不适合物联网设备,因为它将导致更高的成本和功耗以及更严重的延迟,这是不可接受的有效部署大规模物联网。因此,一个更现实的方式,提出了应用概率观,它认为只有CSI的一部分的合法通道是已知的传输速率和通信运营在一个固定的安全。在这一点上,安全是用秘密中断概率(SOP) [16]。

受以前的工作的启发,本文在物联网应用程序安全的上行传输场景,其中一个本地化的多个传感器组将收集到的数据传输到一个控制器由于合作继电器当考虑被动窃听者的存在。一个更实际的场景值得担心的是,存在一个控制器和传感器之间的直接联系。最优性能和可控成本,MRC技术通常是利用控制器来处理接收信号(17]。下面列出了这项工作的主要贡献。

利用两者的优点直接和继电器的链接,我们提出一种新颖的节能安全传输策略基于合法的CSI链接,即节能传输(缺钱)、最佳路径的选择(直接或合作传播),应对实现物联网设备的局限性。从源代码就知道CSI的主要链接,然后直接或合作传播可以被执行根据上面的信息,这有助于减少能源消耗和提高安全的能源效率(见)。

我们获得的封闭表达式SOP和看到的,这将有助于安全的合作物联网的应用。为了展示我们的新策略的有效性,我们进一步比较不同传输方案的保密性能等特点,DF,房颤,CJ以及直接传输(DT)。

我们的结果表明,该特点优于其他传输协议在许多情况下,当考虑看看。提高保密性能和能源效率的物联网部署协作中继的帮助下,缺钱可以被视为一个有效的附加策略的实际应用。

本文组织如下。节2,我们目前的系统模型和设计特点。提出策略和DT的确切SOP,以及其他传统合作协议派生部分3。然后上面传输的保密性能策略的仿真结果显示部分4。最后,本文的结论部分5。

2。系统模型和特点设计

2.1。系统模型和符号

图1显示了通信模型的单天线的无线物联网设备合作链接,其中一个的多个物联网传感器(S)将检测到的数据传输到一个理想的控制器(D)的帮助下一个继电器(R)在考虑一个被动的偷听者的存在(E)。该模型可以使用直接的联系来提高系统的可靠性(18]。辅助节点,采用继电器或干扰机,配备了一个天线用于数据传输和接收半双工方式。任何节点接收到的信号 从发射端 , ,表示为 我们表示节点之间的路径损耗和 , 传播的力量 , 有用的数据信号,零均值和方差加性高斯白噪声(AWGN)。此外,我们表示节点之间的信道系数和 ,展品瑞利平落,期间保持不变的一个传输独立块不同时间和不同的块。假设所有无线通道是独立和分布为指数分布随机变量,接收者可以充分获得合法的CSI链接(19]。因此,预期最终可以获得CSI的主要链接。它是合理的因为R和D可以得到可用信道参数的主要链接的协助下信道估计;然后D是能够通过合作获得准确的CSI继电器(20.]。路径损耗是 ,在哪里是总天线增益,表示波长,表示节点之间的距离和 , 路径损耗指数,表示的链接,和是打算接收机的噪声。接下来,瞬时信噪比(信噪比) 通道可以表示为 ,在哪里 代表平均信噪比, 被定义为噪声功率和表示信道带宽,和任何指数分布的概率密度函数(PDF) 为 。

符合(13),可实现保密的源目的地( )是由

在哪里表示合法链接的容量代表偷听者链接的容量,和是合法的端到端瞬时信噪比和偷听者链接,分别和 。

2.2。的特点设计

战略的特点,传感器的选择标准是决定最安全的方法(直接或合作传播)传输到D的帮助下可用的CSI。有别于传统的合作协议,因为我们同时考虑直接和继电器连接,该特点可以实现更好的安全性能。然后在ETT,合法渠道的能力可以被描述

值得注意的是,这个术语 在(5)表示半双工成本。然后,相应的保密能力特点表示为 ,在哪里获得(5)代替D E。

3所示。保密性能分析

我们诉诸SOP和看到分析安全性能特点以及DT, DF,房颤,CJ协议在本节中。

3.1。保密的中断概率

在下面,可以制定SOP 在哪里 特点,DT, DF、房颤和CJ。

3.1.1。推导的特点

一般来说,继电器R位于中间位置的源和控制器D,我们做出以下注意事项(5)的模式:S(或继电器R)传输数据时 (或当 )。基于的基本原理特点,SOP可以表达的

在哪里获得的是

在哪里 。瑞利衰落,和是遵循指数分布的随机变量,和他们的pdf文档上面给出;因此,

当传感器决定利用继电器,我们认为 和 分别在D和E的信噪比,及其表达的是pdf文档 , 。然后,在下列情况下SOP的收益率 获得 ,我们分离和使用的积分 。因此

同样的,是derevid所示(12)。值得注意的是,这两个十字路口, 和 ,不需要考虑,为了最后的交集包含第一个区域的事实。

从以上讨论,通过结合的结果(11)和(12)和替换回(10),获得的合作阶段的SOP

在哪里 。

最后,邂逅了派生的整体SOP堵塞后(9)和(13)(7)。

3.1.2。推导了DT

在直接传输方案,传感器年代总是将收集到的数据发送给控制器D据传输速率在两个阶段,而继电器保持沉默。然后我们可以获得一个精确的表达式的SOP DT在以下定理。

定理1。

证明。见附录。

3.1.3。推导了DF

值得注意的是,不同的特点,在DF继电器R总是活跃。能力的主要渠道 ,这显然表明性能不足,传输速度必须满足的要求因此链接。DF的SOP可以制定为(21]

在哪里 和 。

3.1.4。推导了房颤

对于房颤机制,类似于DF,继电器完成总传输两个阶段;源广播信号,然后放大并传输到D的继电器R可变增益。房颤的SOP方案(中22是复制,

3.1.5。推导了CJ

可以采用干预E CJ诉诸中继传输干扰信号,干扰是利用以合作的方式提供一个安全的通信所需的传感器和控制器之间的联系来提高物联网上行传输的保密性能。因此,CJ可以派生的SOP (21]

在哪里 , , , , ,和 。

3.2。安全的能源效率

事实上,改进安全经常以更高的功率代价。考虑到可持续性,过度追求安全性能是有害的物联网设备。物联网的应用程序而言,保密通信应以节能的方式进行的。因此,这里使用的是最好的指标来衡量物理层安全与能源效率的同时。数学上,看到的是表示为

在哪里表示每个传输策略的总功耗;也就是说, 特点,DT, DF、房颤和CJ派生

在哪里和表示花费的传输和接收电路,分别。和代表的权力由传感器源和继电器。为简单起见,我们假设 在这篇文章中。此外,值得注意的是,E是被忽视的功耗。显然,看到的是一个递增函数的分母发送功率。因此,增加的力量将导致见下降。注意,看到是一个凸函数的目标利率。因此,我们说明了优化问题 这显然是见过的最优表达式和很难获得。然而,我们可以使用模拟和数值评价获得所需的和通过搜索算法。应该强调,上述表达式(23对物联网)更务实的意义。

4所示。数值结果

本节提供了一些数值模拟来证明前面的理论分析。仿真设置的参数配置如下:= 2个基点/赫兹,= 100, , = 112.2兆瓦,= 97.9兆瓦,= 10 khz,= -174 dbm / Hz,链接的= 10 db,天线增益= 5 dbi,噪音= 10 db= 2.5 ghz。

数据2(一个),2 (b),2 (c)显示的影响SOP的特点,DT, DF,房颤,和CJ传输策略不同的继电器的位置,分别,我们观察到,除了CJ,不同的传播策略的SOP是通过增加提高 。这是因为增加了传输权力利益合法目标和合作继电器。此外,清楚地看到,仿真结果与理论曲线在整个地区完全匹配,验证我们的结论的准确性。另一方面,尽管继电器的位置不断变化,拟议中的特点和房颤总能达到最优保密性能几乎相同。事实上,房颤优于传统合作计划(即。DF和CJ)的SOP;只有当E是接近继电器,CJ比AF(更好的性能21];然后我们可以得出结论,设计的特点是一个安全的协作传输策略。

当继电器R和E之间的距离发生变化时,图3比较的最大特点,看到DT, DF,房颤,CJ的协助搜索方法,可以用来找到最优和传输能力。我们观察到,当E是接近合法节点,CJ可以获得最好的效率。另一方面,当E是合法节点,邂逅了性能更好的能源效率,也证实了设计的特点是更节能的安全传输策略。因此,缺钱是一种低能耗绿色传输协议来提高物联网通信单元的能源效率。

在图4,我们比较的性能在不同的传播率和在不同E和之间的距离继电器r .为了便于分析,我们只是提供的特点和CJ之间的性能比较。数据显示,很明显,策略的性能依赖于两种和 。同时,清楚地看到,传输速率产生更大的影响特点,及其性能适当低利率时要好。因此,当遇见心仪的策略是采用物联网上行传播,为了提高通信系统的保密性能和能源效率,低得多是更合适的。另外,继电器的位置也有一些影响的特点。图4(一)描述了传感器年代接近,如果继电器和E远离R,邂逅了更好执行相反的场景,E是接近R .但是,如果传递R接近控制器D,如图4 (c),发送的干扰信号继电器对D R将造成严重影响,这使得看到比CJ提出邂逅了。因此,我们得出这样的结论:一个更有效的节能特点引入的安全传输方案。

5。结论

安全的能源效率和物理层安全了在物联网应用程序的安全的上行传输场景。利用直接和继电器的优点链接,我们提出了一种新型节能安全传输策略基于合法链接的CSI(缺钱)、最佳路径决定的直接和合作之间传输,处理实现物联网设备的局限性。SOP的封闭表达式和看到的特点也派生。为了展示我们的新策略的有效性,我们进一步比较了保密性能不同的传输方案,诸如DF,房颤,CJ DT。仿真结果表明,该特点优于其他协议的看到在大多数情况下。进一步加强物联网网络的保密性能,特点可以作为一种有效的附加策略的实际应用。为未来的工作,一个有趣的方面是设计节能传动方案对安全合作物联网的存在多个窃听者。其他扩展可以解决另一个实际的问题,如研究不可信的继电器。

附录

利用全概率公式,DT的SOP (14)可以作为制定 在哪里 。因此可以解决如下: 同样的,可以表示为 和可以获得的 经过一些简单的数学运算,在(各)可以直接派生 因此,由(各)可以写成 注意,当 , ;然后可以解决 最后,所需的表达(14)可以通过总结的结果(a .),(a .),(要求寄出)和(A.7)。

数据可用性

本文中的数据生成在Matlab仿真,仿真设置和细节可以参考部分5。因此,使用的数据来支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金支持下授予61501508和61671476。

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