具有发射机侧信息的多窃听者相关对数正态阴影信道物理层安全性能分析

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：Physical Layer Secrecy in Multi-Eavesdropper Wiretap Channels With Transmitter-Side Information Over Correlated Log-Normal Shadowing

本研究针对实际无线环境中存在的信道相关性和多窃听者威胁，创新性地将发射机侧信息(SI)纳入多窃听者窃听信道分析框架，解决了现有研究局限于单窃听者或独立信道模型的不足。研究人员通过Holtzman方法(HM)推导出平均保密容量(ASC)、保密中断概率(SOP)和非零保密容量概率(PNSC)的近似闭式表达式，蒙特卡洛(MC)仿真验证了公式的准确性和计算高效性。该研究为5G/6G等密集网络环境下的物理层安全(PLS)设计提供了更贴近实际的理论依据。

　　

在无线通信技术飞速发展的今天，第五代和第六代(5G/6G)无线系统以及大规模物联网(IoT)部署已经深入军事、金融、社交平台等各个领域。然而，无线传输的广播特性使其天生容易遭受窃听和拦截威胁。虽然上层加密和入侵检测方案(如AI驱动的双注意力框架和混合遗传算法检测模型)能提供一定保护，但它们无法消除物理层固有的安全漏洞。

传统物理层安全(PLS)研究存在明显局限性：要么在相关衰落信道下只考虑单个窃听者（无论是否存在发射机侧信息(SI)），要么在独立衰落信道下分析多窃听者（但缺乏SI）。这两种简化假设都无法准确反映现实无线环境——实际中，由于天线间距限制或共享传播环境，信道往往呈现相关性；同时，现代密集网络面临的是多个非合作窃听者的协同威胁。更关键的是，已有研究证明SI在提升保密性能方面具有积极作用。因此，亟需建立一个同时考虑信道相关性、多窃听者和SI的更现实有效的系统模型。

针对这一研究空白，墨西哥国家理工学院(IPN)的Ali Mohammad Khodadoust等研究人员在《IEEE Open Journal of the Communications Society》上发表了创新性研究。他们首次系统分析了具有SI的多窃听者相关对数正态(LN)阴影信道的PLS性能。如图1所示，该模型包含一个发射机(Tx/Alice)、一个合法接收机(Rx/Bob)和L个独立被动窃听者(Eves)，其中Tx-Bob信道与Tx-最强窃听者信道之间存在相关性(相关系数为ρ)，且Tx非因果已知SI。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：建立多窃听者窃听信道系统模型，其中所有信道经历准静态LN阴影衰落；利用Holtzman方法(HM)进行数学近似推导，将复杂的多重积分问题转化为可计算的闭式表达式；通过蒙特卡洛(MC)模拟验证理论结果的准确性，并比较计算效率；分析信道相关性(ρ)、窃听者数量(L)和SI对三个核心PLS指标（平均保密容量(ASC)、保密中断概率(SOP)和非零保密容量概率(PNSC)）的影响。

保密容量(SC)的理论推导

研究基于两个推论(C.1和C.2)推导了瞬时保密容量。C.1场景下SC等于主信道容量，C.2场景下SC与主信道和窃听信道的信噪比(SNR)及SI功率相关。保密容量定义为C_s= [C_M- C_E]⁺，其中C_M和C_E分别代表主信道和窃听信道的容量。当主信道SNR(γ_m)大于最强窃听者信道SNR(γ_em)时，才能实现安全通信。

平均保密容量(ASC)性能分析

ASC随信道相关性(ρ)增强而降低，因为统计独立性下降不利于保密传输。但这种负面影响在主流优势明显(高?值)时减弱。SI在C.2下能显著提升ASC，尤其在低?值时效果更突出。多窃听者数量(L)增加会显著降低ASC，即使存在SI，当L→∞时ASC也将趋近于零。

保密中断概率(SOP)性能分析

SOP与ρ的关系呈现双模式：当? < 0.8 dB时，SOP随ρ增大而恶化；当? > 0.8 dB时，SOP反而随ρ增大而改善，说明在主流占优情况下相关性有利于降低中断风险。SI在C.2下能有效降低SOP。多窃听者会使SOP显著上升，L→∞时SOP趋近于1，SI的改善作用也随之消失。

非零保密容量概率(PNSC)性能分析

PNSC同样表现出与SOP类似的双模式特性：? < 0 dB时PNSC随ρ增大而减小，? > 0 dB时则随ρ增大而增加。SI在C.2下能提升PNSC值。多窃听者环境下PNSC随L增加而下降，L→∞时PNSC趋近于零。

准确性验证与计算效率评估

理论分析与MC模拟的百分比误差(PE)绝大多数低于2%，验证了Holtzman方法的准确性。在计算效率方面，解析方法比MC模拟快约99.91%，显著提升了性能评估效率。

本研究通过建立更符合实际的多窃听者相关LN阴影信道模型，深入揭示了信道相关性、SI和多窃听者数量对PLS性能的复杂影响机制。研究证明，在主流占优的实用场景下，信道相关性反而能提升安全性能；SI是增强安全性的有效手段；而多窃听者威胁需要更高级的对抗措施。推导出的闭式表达式为未来无线网络的安全设计和实时评估提供了高效工具。该研究为5G/6G、物联网等密集网络环境下的物理层安全设计提供了重要理论支撑，对推动安全无线通信技术发展具有显著意义。