陳森基

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司肇慶市分公司，廣東 肇慶 526000）

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的不斷推廣，保障通信的安全性成為了一個(gè)重要的研究方向。特別是在多天線無線攜能通信中，由于信道的復(fù)雜性和可能存在的攻擊威脅，傳輸?shù)陌踩悦媾R著許多挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)一種有效的安全傳輸方案，提高傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，具有重要的理論和?shí)際意義。

1 多天線技術(shù)的原理與優(yōu)勢(shì)

在無線通信領(lǐng)域，多天線技術(shù)被廣泛應(yīng)用于提高通信性能和擴(kuò)大覆蓋范圍。通過利用多個(gè)天線進(jìn)行信號(hào)傳輸和接收，可以有效抑制信號(hào)衰減和干擾，提高通信質(zhì)量與容量。多天線技術(shù)還可以支持多用戶同時(shí)傳輸和接收數(shù)據(jù)，提供更高的通信效率和可靠性。此外，在攜能通信中，多天線無線傳輸系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用潛力，可以同時(shí)支持多用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)多用戶之間的同時(shí)通信，提高通信效率和頻譜利用率[1]。

2 安全傳輸方案的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景

通信安全是保護(hù)通信過程中數(shù)據(jù)完整性、機(jī)密性以及可用性的重要問題。在無線通信中，特別是攜能通信中，保護(hù)通信數(shù)據(jù)的安全性對(duì)于保護(hù)用戶隱私和防止信息泄露至關(guān)重要。傳統(tǒng)的通信安全方案通常采用加密技術(shù)和身份驗(yàn)證來保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性與合法性，然而隨著技術(shù)的發(fā)展和攻擊手段的進(jìn)化，傳統(tǒng)的安全方案面臨著新的挑戰(zhàn)與威脅[2]。

3 無線通信安全問題

盡管已經(jīng)有一些安全傳輸方案被提出和應(yīng)用于攜能通信領(lǐng)域，但仍然存在一些問題需要解決。首先，傳統(tǒng)的加密技術(shù)在面對(duì)高計(jì)算能力的攻擊者時(shí)可能不安全，容易受到密碼破解和竊聽等攻擊。其次，身份驗(yàn)證的準(zhǔn)確性和可靠性也是一個(gè)挑戰(zhàn)，攻擊者可以冒充合法用戶進(jìn)行非法訪問和數(shù)據(jù)篡改。最后，現(xiàn)有的安全傳輸方案往往忽視了能源效率的考慮，無法充分利用攜能通信中的能源傳輸特性[3]。

盡管多天線無線攜能通信和通信安全方案已經(jīng)得到廣泛研究與應(yīng)用，但現(xiàn)有的安全傳輸方案仍面臨著諸多挑戰(zhàn)和問題。為了提高攜能通信的安全性和性能，需要進(jìn)一步研究與開發(fā)基于新技術(shù)和算法的安全傳輸方案。本研究將基于Q-learning 算法，探索多天線無線攜能通信安全傳輸方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

4 Q-learning 算法的基本原理

Q-learning 算法是一種強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，用于解決馬爾可夫決策過程（Markov Decision Process，MDP）問題。它是一種基于值迭代的學(xué)習(xí)算法，用于學(xué)習(xí)在不同狀態(tài)下采取不同動(dòng)作的最優(yōu)策略。

在Q-learning 算法中，定義一個(gè)Q函數(shù)（也稱為Q值函數(shù)），表示在給定狀態(tài)下采取某個(gè)動(dòng)作所獲得的累積獎(jiǎng)勵(lì)的期望值。Q函數(shù)更新遵循的迭代公式為

式中：Q(s,a)為狀態(tài)s下采取動(dòng)作a的Q值；α為學(xué)習(xí)率（用于控制新舊經(jīng)驗(yàn)的權(quán)重）；r為狀態(tài)s下采取動(dòng)作a后獲得的即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)；γ為折扣因子（用于權(quán)衡即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)和未來獎(jiǎng)勵(lì)的重要性）；s'為轉(zhuǎn)移到的下一個(gè)狀態(tài)；a'為狀態(tài)s'下采取的最優(yōu)動(dòng)作。

5 多天線無線攜能通信安全傳輸方案設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)模型和假設(shè)

在設(shè)計(jì)多天線無線攜能通信安全傳輸方案時(shí)，建立了以下系統(tǒng)模型和假設(shè)來指導(dǎo)方案的設(shè)計(jì)和分析。一是多天線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。假設(shè)使用多天線系統(tǒng)進(jìn)行通信，其中包括一個(gè)發(fā)射天線陣列和一個(gè)接收天線陣列，二者之間通過無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。二是通信環(huán)境模型?？紤]了通信環(huán)境中的多徑衰落、噪聲和干擾等因素，假設(shè)通信信道具有時(shí)變和頻率選擇的特性，并且受到多徑衰落和陰影衰落的影響。三是攻擊威脅模型?？紤]潛在的攻擊威脅，包括竊聽、篡改和攔截等攻擊，假設(shè)攻擊者具有一定的能力和資源，并嘗試?yán)寐┒春腿觞c(diǎn)對(duì)通信進(jìn)行攻擊。四是傳輸過程安全需求。假設(shè)在傳輸過程中存在安全需求，包括數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性以及可靠性，要求設(shè)計(jì)的安全傳輸方案能夠保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私，防止數(shù)據(jù)被篡改和竊取，并提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

在基于以上系統(tǒng)模型和假設(shè)的基礎(chǔ)上，可以建立數(shù)學(xué)模型和算法來優(yōu)化傳輸方案。以下是一些相關(guān)的公式，用于描述系統(tǒng)模型和方案設(shè)計(jì)。

天線陣列信號(hào)模型中，發(fā)射信號(hào)為

接收信號(hào)為

式中：H為信道矩陣；n為噪聲向量。

傳輸速率模型中，傳輸速率R可以通過信道容量計(jì)算得到，計(jì)算公式為

式中：P為發(fā)射功率；N0為噪聲功率譜密度。

安全性指標(biāo)模型中，安全性指標(biāo)可以通過信道安全容量計(jì)算得到，計(jì)算公式為

式中：C為信道容量，Ce為攻擊者對(duì)信道的等效容量。

5.2 Q-learning 算法在安全傳輸方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（1）狀態(tài)定義。將通信環(huán)境的特征和攻擊狀態(tài)作為系統(tǒng)的狀態(tài)。例如，通信環(huán)境的特征可以包括信道質(zhì)量、信噪比以及干擾水平等，攻擊狀態(tài)則包括是否存在竊聽（黑客試圖截獲通信數(shù)據(jù)等）或篡改攻擊（惡意篡改傳輸數(shù)據(jù)等）。

（2）行動(dòng)定義。將通信節(jié)點(diǎn)的操作和反應(yīng)策略作為系統(tǒng)的行動(dòng)。例如，通信節(jié)點(diǎn)可以選擇不同的通信方式、信道分配以及功率控制策略來應(yīng)對(duì)不同的通信環(huán)境和攻擊威脅。

（3）獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)。定義獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)評(píng)估每個(gè)狀態(tài)下行動(dòng)的好壞。獎(jiǎng)勵(lì)可以基于傳輸速率、誤碼率和安全性指標(biāo)等進(jìn)行定義。例如，當(dāng)傳輸速率高、誤碼率低且安全性指標(biāo)滿足要求時(shí)，給予正向獎(jiǎng)勵(lì)；當(dāng)傳輸速率低、誤碼率高或安全性指標(biāo)不滿足要求時(shí)，給予負(fù)向獎(jiǎng)勵(lì)[4,5]。

（4）Q-learning 算法更新。通過使用Q-learning算法，可以在每個(gè)時(shí)間步更新Q值函數(shù)，以學(xué)習(xí)最佳的安全傳輸策略。Q值函數(shù)表示在每個(gè)狀態(tài)下采取每個(gè)行動(dòng)的預(yù)期累積獎(jiǎng)勵(lì)。通過不斷與環(huán)境交互，更新Q值函數(shù)，使其收斂到最優(yōu)的傳輸策略。Q-learning算法的Q值函數(shù)更新為

通過不斷迭代和學(xué)習(xí)，Q-learning 算法可以找到最優(yōu)的傳輸策略，以提高安全傳輸方案的性能，并且可以適應(yīng)不同的通信環(huán)境和攻擊威脅，根據(jù)實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息做出最佳的決策?；赒-learning 算法的非信任雙向中繼網(wǎng)絡(luò)模型如圖1 所示。

圖1 基于Q-learning 算法的非信任雙向中繼網(wǎng)絡(luò)模型

6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

6.1 數(shù)據(jù)集來源和組成

數(shù)據(jù)集是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和評(píng)估安全傳輸方案的基礎(chǔ)，描述如下。

（1）信號(hào)數(shù)據(jù)。采集了多種不同條件下的信號(hào)數(shù)據(jù)，包括不同信道狀態(tài)、不同信噪比以及不同傳輸策略。這些數(shù)據(jù)用于評(píng)估傳輸方案在不同情況下的性能。

（2）攻擊模擬數(shù)據(jù)。為了評(píng)估安全傳輸方案對(duì)于攻擊的健壯性，使用了攻擊模擬數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)模擬了各種常見的通信攻擊，如干擾、竊聽和數(shù)據(jù)篡改等。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)置和數(shù)據(jù)集的詳細(xì)描述，能夠確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的可重復(fù)性和數(shù)據(jù)的可靠性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和安全傳輸方案的驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)。

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論

（1）傳輸速率。首先分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的傳輸速率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀察到在良好的信道條件下，多天線無線攜能通信安全傳輸方案實(shí)現(xiàn)了較高的傳輸速率。這表明該方案能夠有效利用多天線技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

（2）誤碼率。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的誤碼率進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在各種信道狀態(tài)下，該安全傳輸方案能夠有效降低誤碼率，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這表明該方案具備較好的抗干擾和糾錯(cuò)能力。

（3）安全性指標(biāo)。評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的安全性指標(biāo)，如抗竊聽和抗數(shù)據(jù)篡改能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀察到該安全傳輸方案在面對(duì)不同類型攻擊時(shí)能夠保持較高的安全性。這表明該方案采用了有效的加密和認(rèn)證機(jī)制，能夠抵御通信攻擊。

（4）條件比較和解釋。對(duì)不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較和解釋，通過比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在不同的通信環(huán)境、攻擊威脅以及傳輸策略下，該安全傳輸方案的性能可能會(huì)有所變化。對(duì)這些變化進(jìn)行了解釋，并提出了改進(jìn)方案來進(jìn)一步提高傳輸效果和安全性。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論，能夠深入理解多天線無線攜能通信安全傳輸方案的性能和特點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)該方案的優(yōu)勢(shì)和潛在的改進(jìn)空間，從而為進(jìn)一步的研究和應(yīng)用提供指導(dǎo)與建議。

6.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證安全傳輸方案的有效性

（1）傳輸速率對(duì)比。首先比較了安全傳輸方案與傳統(tǒng)傳輸方案在傳輸速率方面的表現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)安全傳輸方案在相同的通信環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)更高的傳輸速率。這驗(yàn)證了安全傳輸方案在利用多天線技術(shù)和優(yōu)化傳輸策略方面的有效性。

（2）誤碼率對(duì)比。對(duì)安全傳輸方案和傳統(tǒng)傳輸方案的誤碼率進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，安全傳輸方案在面對(duì)不同干擾和攻擊情況下表現(xiàn)出較低的誤碼率。這說明該方案采用的安全機(jī)制和糾錯(cuò)技術(shù)能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）安全性評(píng)估。對(duì)安全傳輸方案的安全性進(jìn)行了評(píng)估。通過引入各種攻擊威脅和干擾情況，測(cè)試了該方案在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私和抵御惡意攻擊方面的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安全傳輸方案能夠有效抵御竊聽、篡改和攔截等攻擊，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性和完整性。

（4）系統(tǒng)健壯性和適應(yīng)性。對(duì)安全傳輸方案的健壯性和適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證，通過在實(shí)驗(yàn)中引入不同的通信環(huán)境和攻擊場(chǎng)景，評(píng)估了該方案在各種情況下的性能和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，安全傳輸方案能夠適應(yīng)不同的通信條件與攻擊威脅，具備較強(qiáng)的健壯性和適應(yīng)性。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了基于Q-learning 算法的安全傳輸方案在傳輸速率、誤碼率以及安全性方面的有效性和性能優(yōu)勢(shì)。該方案在傳輸速率、誤碼率以及安全性等方面表現(xiàn)出明顯的改進(jìn)，并展現(xiàn)了在不同環(huán)境和攻擊威脅下的穩(wěn)定性和可靠性，為進(jìn)一步應(yīng)用和推廣安全傳輸方案提供了科學(xué)依據(jù)與實(shí)證支持。然而，也要注意實(shí)驗(yàn)條件的限制，并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行充分驗(yàn)證與調(diào)優(yōu)。

7 結(jié) 論

本研究通過基于Q-learning 算法的多天線無線攜能通信安全傳輸方案設(shè)計(jì)，為提高傳輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴峁┝艘环N新的解決方案。這項(xiàng)研究的成果將對(duì)未來無線通信安全領(lǐng)域的研究和實(shí)踐產(chǎn)生積極影響，并為構(gòu)建更加安全可靠的通信系統(tǒng)提供有力支持。