基于帶內(nèi)無線回程的HetNets安全性能研究

頡滿剛,賈向東,2,周 猛,紀(jì)珊珊,焦金良,楊 正

(1.西北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,蘭州 730070; 2.南京郵電大學(xué) 江蘇省無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210003)

0 概述

大規(guī)模多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)[1-3]、全雙工(Full-Duplex,FD)[4]和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous Networks,HetNets)[5-6]是未來5G網(wǎng)絡(luò)的3種關(guān)鍵技術(shù),三者的有效結(jié)合能夠發(fā)揮自個(gè)優(yōu)勢,并極大提高系統(tǒng)性能。然而,隨著小蜂窩網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署,大量的回程數(shù)據(jù)需要反饋到核心網(wǎng),回程問題變得日趨重要[7]。

一般有3種小蜂窩回程解決方案,即有線光纖連接方案,微波或毫米波點(diǎn)對點(diǎn)定向無線傳輸方案和共享接入網(wǎng)頻譜無線傳輸方案。在這3種回程傳輸方案中,由于接入網(wǎng)無線電波的廣播屬性,共享接入網(wǎng)頻譜無線傳輸方案特別適合于非視距傳輸場景,能夠很好滿足具有高大建筑物的市區(qū)無線通信需求,特別是帶內(nèi)(In-Band,IB)接入網(wǎng)頻譜共享方案(蜂窩網(wǎng)鏈路和回程鏈路工作在同一頻段)因其較高的頻譜效率備受青睞[8]。同時(shí),考慮到回程傳輸和接入網(wǎng)傳輸間的互干擾,在已有的文獻(xiàn)中重點(diǎn)將回程傳輸看作無線接入網(wǎng)通信的一種障礙,即帶內(nèi)無線回程將使接入容量下降,誤碼率增加[9]。然而,當(dāng)考慮到安全問題時(shí),情況可能并非如此,由于回程傳輸對竊聽者來講是未知信號(hào),可降低竊聽信號(hào)信噪比,有利于提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能[10-12]。

基于上述考慮,本文建立一種基于帶內(nèi)無線回程的FD大規(guī)模MIMO雙層HetNets模型。大規(guī)模MIMO宏蜂窩基站(Macro Cell Base Station,MBS)和單天線小蜂窩基站(Small Cell Base Station,SBS)均工作在帶內(nèi)回程模式,宏蜂窩和小蜂窩用戶共享接入和回程鏈路頻帶資源,并受惡意竊聽者的竊聽。在該網(wǎng)絡(luò)模型下,研究宏蜂窩下行和小蜂窩上行鏈路的安全概率。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及信道假設(shè)

如圖1所示,FD大規(guī)模MIMO雙層HetNets由宏蜂窩用戶終端(User Equipment,UE)、小蜂窩UE和竊聽者(Eavesdropper,Eve)組成,小蜂窩覆蓋在宏蜂窩之上減輕宏蜂窩負(fù)載。MBS與UE、UE與SBS、MBS與SBS之間的鏈路分別為宏蜂窩下行、小蜂窩上行和回程鏈路。小蜂窩通過MBS連接到核心網(wǎng),MBS提供無線回程連接到小蜂窩,MBS和SBS都工作在FD模式。MBS配備了MTx個(gè)發(fā)送天線和MRx個(gè)接收天線,而SBS和UE均配備單天線。同時(shí),假設(shè)一個(gè)MBS能夠服務(wù)的最大UE數(shù)為Nm,最大回程數(shù)Nn,且滿足min(MTx,MRx)>>Nn和min(MTx,MRx)>>Nm。宏蜂窩和小蜂窩鏈路被惡意的Eve所竊聽,Eve只對宏蜂窩與小蜂窩的信號(hào)進(jìn)行攔截和破譯并不對其進(jìn)行篡改。

圖1 基于帶內(nèi)無線回程的全雙工大規(guī)模

同時(shí),僅考慮宏蜂窩下行和小蜂窩上行傳輸,宏蜂窩與小蜂窩共享頻譜。假設(shè)系統(tǒng)獲得了可靠的信道狀態(tài)信息,MBS采用迫零接收和發(fā)送。有以下信號(hào)傳輸方案:對于小蜂窩上行,在相同的時(shí)頻資源塊,任一個(gè)SBS能夠以功率PSB發(fā)送回程數(shù)據(jù)到與其對應(yīng)MBS,同時(shí)接收距離最近UE以功率PUE發(fā)送的數(shù)據(jù)。對于宏蜂窩下行,任一個(gè)MBS以功率PMB發(fā)送數(shù)據(jù)到其對應(yīng)的UE,同時(shí)接收來自于SBS的回程數(shù)據(jù)。

2 安全概率分析

2.1 宏蜂窩下行鏈路安全概率

不失一般性,考慮任一宏蜂窩下行鏈路,宏蜂窩UE位于原點(diǎn)o,MBS位于點(diǎn)x。那么,位于z點(diǎn)處的Eve接收到的信號(hào)與干擾噪聲比(Signal to Interference Noise Ratio,SINR)表示為:

(1)

在被動(dòng)Eve場景下,每一條鏈路都暴露于所有的Eve。此時(shí),只需考慮最惡意的Eve,其擁有最強(qiáng)SINR。那么,任一宏蜂窩下行鏈路的安全概率可以表示為:

(2)

定理1在基于帶內(nèi)無線回程的全雙工大規(guī)模MIMO雙層HetNets中,任一宏蜂窩下行鏈路的安全概率可以表示為:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

根據(jù)hz～Γ(min(Nm,Km)-1,1),hz的概率密以度函數(shù)可以寫成:

(9)

將式(9)代入式(8)得到:

(10)

其中,(a)滿足文獻(xiàn)[14]中的式(3.381.4)。

將式(10)代入式(7),得到可實(shí)現(xiàn)的安全概率為:

(11)

(12)

其中,(c)滿足文獻(xiàn)[15]中的映射理論。根據(jù)hlz～Γ(min(Nm,Km),1),式(12)的積分項(xiàng)中期望可以寫成:

(13)

結(jié)合式(13)和式(12),得到:

(14)

(15)

其中,(d)滿足文獻(xiàn)[14]中的式(3.194.3),結(jié)合式(15)和式(14),可以得到式(4)。

(16)

經(jīng)過適當(dāng)數(shù)學(xué)運(yùn)算,可以得到式(5)。利用類似方法可以得到式(6)。

2.2 小蜂窩上行鏈路安全概率分析

這部分主要研究小蜂窩下行鏈路安全概率。假設(shè)一SBS位于原點(diǎn)o與一個(gè)位于點(diǎn)y的UE通信。此時(shí),位于點(diǎn)v處的Eve從任一UE與其對應(yīng)SBS通信過程中接收到的SINR可以表示為:

(17)

基于式(17),考慮最惡意的Eve情形,小蜂窩上行鏈路的安全概率可以定義為:

(18)

定理2在基于帶內(nèi)無線回程的全雙工大規(guī)模MIMO雙層HetNets中,任一小蜂窩上行鏈路的安全概率可以表示為:

(19)

證明:將式(17)代入式(18),得到:

(20)

根據(jù)拉普拉斯變換的定義,得到式(19)。

定理2表明,利用回程干擾能夠有效提高小蜂窩傳輸?shù)陌踩阅堋３嘶爻讨?安全概率還隨著強(qiáng)度λS和λUE的增加而增加。此外,隨著λM的增加,小蜂窩傳輸?shù)陌踩怕试龃蟆?/p>

3 數(shù)值分析

圖2研究了在不同λS下MBS-UE下行和UE-SBS上行鏈路的安全概率。圖2(a)給出了MBS-UE下行鏈路安全概率與λEv的關(guān)系,而圖2(b)則給出了UE-SBS上行鏈路安全概率與λEv的關(guān)系。觀察圖2可以發(fā)現(xiàn),MBS-UE和UE-SBS鏈路的安全概率隨著λEv的增加逐漸降低,這是因?yàn)殡S著λEv的增大,通信鏈路暴露給更多的Eve,導(dǎo)致系統(tǒng)的安全性能降低。顯然,得到的結(jié)果與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)模型相一致。同時(shí),比較圖2(a)和圖2(b),不難發(fā)現(xiàn),對于任一給定的λEv,MBS-UE比UE-SBS鏈路有更高的安全概率,這也就是說,在提出的HetNets模型中,宏蜂窩比小蜂窩傳輸更為安全。對此有以下解釋:在HetNets中,MBS配備了大規(guī)模MIMO,并采用了迫零預(yù)處理方案,由于受到了巨大波束賦形增益的影響,MBS-UE鏈路中任一UE接收到的SINR得到極大提高。同時(shí),圖2(a)和圖2(b)對帶內(nèi)全雙工(IB-FD)和帶外全雙工(OB-FD)2種模式做了比較,結(jié)果表明,HetNets在IB-FD模式下的性能要優(yōu)于OB-FD模式,這是由于IB-FD模式充分利用了回程干擾。此外,隨著λS增大,系統(tǒng)安全性能提高,IB-FD與OB-FD的安全概率間隙減小。

圖2 宏蜂窩下行和小蜂窩上行鏈路的安全概率

圖3 宏蜂窩下行和小蜂窩上行安全概率與λS和

圖4 宏蜂窩下行鏈路安全概率與不同安全門限的關(guān)系

4 結(jié)束語

本文提出一種帶內(nèi)全雙工無線回程方案。在大規(guī)模MIMO雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,將回程信號(hào)作為宏蜂窩和小蜂窩通信鏈路的干擾信號(hào),分別研究宏蜂窩下行和小蜂窩上行鏈路的安全概率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用帶內(nèi)全雙工無線回程可以有效提高系統(tǒng)的安全性能,且?guī)?nèi)模式優(yōu)于帶外模式。今后將通過采用隨機(jī)幾何方法,借助凸優(yōu)化理論,針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能展開研究,以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的最優(yōu)化。

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