基于NOMA場景的多用戶調度物理層安全性能分析

岳雪峰，余 鋼，馮友宏*，曹喜珠，董國青

(1.安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000；2.上海亨通光電科技有限公司，上海 201800；3.安徽師范大學 皖江學院，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

香農(Shannon)早在1948年就提出了一般意義上的加密模型，這是關于物理層安全研究能追溯到的最早時間，香農的理論基礎也對物理層安全性的研究起到了方向性作用，物理層安全技術相關工作也由此被關注和快速發展[1-2]。20世紀70年代貝爾實驗室的Wyner是在物理層安全方面首先取得突破性進展，Wyner提出了物理層安全的概念并提出了wiretap信道模型[3]，進一步給出了香農安全意義下的信息安全傳輸容量。wiretap信道需要主信道(合法用戶之間)比竊聽信道(非法用戶之間)有容量優勢，但近幾年理論及技術的發展突破了這個要求。

隨著移動通信的發展，多址技術的發展也在不斷進步，1G的頻分多址(FDMA)、2G的時分多址(TDMA)、3G的碼分多址(CDMA)以及4G的正交頻分多址(OFDMA)都是基于多址技術進行資源分配。但是隨著新型設備的興起和移動終端的增加，頻譜資源稀缺問題已經到來。為了滿足人們日益增長的需求和提高頻譜利用率，已經到來的5G時代提出在系統容量和頻譜效率均遠高于正交多址技術的非正交多址接入技術。非正交多址接入(NOMA)技術可以同一時頻資源調度多個用戶，利用超級編碼(SC)和連續干擾消除(SIC)技術可以實現多個信息的同時發送和解調。

文獻[4]首次對NOMA技術進行了介紹，對其基本思想進行闡述，并進一步探討了提升安全性能的方案。文獻[5-6]從功率分配和用戶選擇等方面對NOMA關鍵技術進行分析，提出可行的優化方案，提高系統的安全性能。文獻[7]從NOMA系統資源分配的角度出發，對提升安全性能提出優化方案。文獻[8]在單用戶的基礎上重點研究NOMA技術中MIMO系統傳輸情況，結合資源調度算法和功率分配對提高系統安全提出優化方案。NOMA技術在發送端巧妙利用了SC調制不同用戶信息，在接收端通過SIC技術，相較于OMA技術提高了頻譜利用率，提升了系統的安全性能。文獻[9]首次提出SIC技術，證明該技術對提升系統的吞吐量有重要作用。

文獻[10-11]提出不同中繼選擇對NOMA系統安全的影響，結果表明采用兩階段的中繼選擇協議可以使系統得到最小的安全中斷概率，達到最大的安全性能。文獻[12]提出2個用戶一個中繼的場景，結果表明NOMA系統的安全性能遠高于正交多址接入(OMA)系統。文獻[13]提出合法用戶與竊聽用戶隨機分布的情況，計算其不同的安全中斷概率比較分析系統的安全性能。

文獻[4-13]對不同應用場景的研究以及資源分配的分析都是基于點對點的安全通信網絡，對基于中繼傳輸的NOMA安全通信場景還缺少相應的研究，相對于OMA技術，NOMA技術的安全優勢也待進一步分析。本文是在 NOMA 系統的基礎上對多用戶調度物理層安全進行分析，研究基于 NOMA 協作中繼網絡的安全性能， 并在相同場景下與 OMA 系統進行對比分析。

1 系統模型

NOMA系統下的多用戶調度系統模型如圖1所示，整個通信過程分2個時間片進行信息傳輸。第1個時間片中，每一個源節點s均廣播信號s1,s2至中繼節點和目的節點，中繼節點通過SIC技術解碼出信號s1,s2并對信號s2重新編碼，目的節點解碼出信號s1，竊聽端隨機竊聽來自源節點的信號s1,s2。為了更好發揮SIC技術的解碼優勢和多用戶調度的作用，中繼節點選擇最優的用戶進行信息傳輸。第2個時間片中，中繼節點將重新編碼的信號s2發送至目的節點。假設信號s1,s2能量分配系數為α1,α2，同時滿足α1+α2=1及α1>α2，s為混合信號，可以表示為：

s=α1s1+α2s2。

(1)

在對OMA系統進行安全性能分析時，為了和NOMA系統作對比分析，相比于NOMA系統的2個時間片進行信息傳輸，需要3個時間片完成對信號s1,s2的傳輸。在第1個時間片中，只進行信號s1的傳輸，此時，源節點至中繼節點不工作。在第2,3個時間片中，對信號s2進行信息傳輸，此時，源節點至目的節點不工作。在整個信息傳輸過程中，竊聽端均對源節點的信號s1,s2進行竊聽。

圖1 多用戶調度系統模型

在實際的應用場景中可能存在中繼端隨時竊聽的情況，因此，為了更好地對系統安全性能進行分析，本文聯合考慮竊聽中繼的場景。圖2即多用戶調度竊聽中繼系統模型。相比于非竊聽中繼場景，在此場景下的NOMA和OMA系統在中繼節點對信號s2進行信息傳輸時，竊聽端對中繼節點進行竊聽。

圖2 多用戶調度竊聽中繼系統模型

2 NOMA安全中斷概率分析

2.1 非竊聽中繼場景

圖1通信場景中，多用戶源節點發送混合信號，選擇最優用戶將信號發送至中繼節點。下面分別對信號s1，s2的信道容量進行分析。

2.1.1 信號s1的信道容量分析

在第1個時間片中，目的節點D接收到的信號為：

(2)

(3)

(4)

由式(2)可得，目的節點接收到信號的信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)為：

(5)

中繼節點為正確解碼出信號s1將信號s2當作干擾信號，由式(3)可得中繼節點接收到信號的SINR為：

(6)

在此考慮一種最差情況下的安全通信，即假設竊聽端具有較強的信號分析和提取能力[14]，對竊聽到的混合信號能夠解碼獲取單獨的信號s1，s2，由式(4)可得竊聽端竊聽到信號s1的信噪比為：

(7)

這里假設該情況下P較大，在信號s1進行信息傳輸時，噪聲的影響忽略不計，由式(5)和式(6)可得信號s1的主信道信道容量[15-16]為：

(8)

由式(7)可得信號s1的竊聽信道信道容量為：

(9)

式中，λSE

信號的安全容量[17]可以由主信道信道容量和竊聽信道信道容量之間的差值表示，由式(8)和式(9)可得信號s1的安全信道容量為：

(10)

2.1.2 信號s2的信道容量分析

在第2個時間片中，目的節點D接收到的信號為：

(11)

由式(11)可得目的節點接收到信號的SINR為：

(12)

(13)

由式(6)和式(12)可得信號s1的主信道信道容量為：

(14)

其中，λSR|hSR|2，λRD由式(13)可得信號s2的竊聽信道容量為：

(15)

由式(14)和式(15)可得信號s2的安全信道容量為：

(16)

定理1：NOMA非竊聽中繼場景下系統安全中斷概率[18]為公式(17)。

(17)

2.2 竊聽中繼場景

圖2中，信號s1的傳輸和非竊聽中繼場景一樣，信號s2的傳輸相比于非竊聽中繼場景在第2個時間片中多了一次竊聽中繼端竊聽的情況。在第2個時間片中，竊聽端竊聽到中繼節點的信號為：

(18)

(19)

由式(13)和式(19)可知此時信號s2竊聽信道容量為：

(20)

由式(14)和式(20)可得信號s2的安全信道容量為：

(21)

定理2：NOMA竊聽中繼場景下系統安全中斷概率為公式(22)。

(22)

3 OMA安全中斷概率分析

為了更好地對比NOMA安全性能，進行了OMA在相似通信場景下的安全性能分析。

3.1 非竊聽中繼場景

在非竊聽中繼場景中，多用戶源節點發送混合信號，選擇最優用戶將信號發送至中繼節點，竊聽節點隨機竊聽。下面分別對信號s1，s2的信道容量進行分析。

3.1.1 信號s1的信道容量分析

在第1個時間片中，當發送用戶以功率P，發送信號s(E(|s|2)=1)進行信息傳輸時，由于無線傳輸的廣播特性，在目的節點和竊聽節點收到的信號分別為：

(23)

(24)

(25)

(26)

由此可得信號s1的主信道容量和竊聽信道容量分別為：

(27)

(28)

由此可得信號s1的安全信道容量為：

(29)

式中，定義λSD則式(29)簡化為：

(30)

在此場景下，討論功率P比較大的情況時,式(30)可以簡寫為：

(31)

3.1.2 信號s2的信道容量分析

對于信號s2在第2，3個時間片進行信息傳輸，中繼節點和目的節點收到的信號分別為：

(32)

(33)

則中繼節點和目的節點的SNR為：

(34)

(35)

(36)

(37)

因此信號s2的安全信道容量為式(39)。

(38)

定理3：OMA非竊聽中繼場景下系統安全中斷概率為式(39)。

(39)

3.2 竊聽中繼場景

在竊聽中繼場景中，信號s1的傳輸和非竊聽中繼場景一樣，不再重復計算；信號s2的傳輸相比于非竊聽中繼場景在第2,3個時間片中多了一次竊聽中繼端竊聽的情況，此時信號s2竊聽信道容量為：

(40)

因此信號s2的安全信道容量為：

(41)

定理4：OMA竊聽中繼場景下系統安全中斷概率為式(42)。

(42)

4 仿真和實驗分析

通過Matlab仿真分析和討論安全中斷概率與主信道信噪比、竊聽信道信噪比、安全速率和發送用戶數目之間的關系。

4.1 安全中斷概率與主信道信噪比的關系

圖3分析了基于OMA和NOMA系統下竊聽中繼與非竊聽中繼2種場景的安全中斷概率與主信道SNR的關系。可以看出，當α1=0.95,α2=0.05,Rs1=Rs2=1,M=6,σSE=σRE=1 dB時，2種場景的安全中斷概率隨主信道SNR的增加都不斷降低，說明提高主信道SNR可以有效提高系統的安全性能。在主信道SNR相同的情況下，非竊聽中繼場景的安全中斷概率要比竊聽中繼場景的安全中斷概率低，并且基于NOMA系統的安全中斷概率總是低于OMA系統。所以，有效地對中繼端進行防竊聽處理可以極大提高系統的安全性能，同等條件下使用NOMA系統對信息進行傳輸遠優于OMA系統，并且隨著主信道SNR的增加這種優勢更加明顯。

圖3 安全中斷概率與主信道信噪比的關系

4.2 安全中斷概率與竊聽信道信噪比的關系

圖4分析了基于OMA和NOMA系統下竊聽中繼與非竊聽中繼2種場景的安全中斷概率與竊聽信道SNR的關系。

圖4 安全中斷概率與竊聽信道信噪比的關系

由圖4可以看出，當α1=0.9,α2=0.1,Rs1=Rs2=1,M=4,σSD=σSR=σRD=5 dB時，2種場景的安全中斷概率隨竊聽信道SNR的增加都不斷增加。另外，在竊聽信道SNR相同的情況下，非竊聽中繼場景的安全中斷概率要比竊聽中繼場景的安全中斷概率低，并且基于NOMA系統的安全中斷概率總是低于OMA系統。所以，有效地對中繼端進行防竊聽處理可以極大提高系統的安全性能，同等條件下使用NOMA系統對信息進行傳輸遠優于OMA系統，并且隨著竊聽信道SNR的減小這種優勢更加明顯。

4.3 安全中斷概率與安全速率的關系

圖5分析了基于OMA和NOMA系統下竊聽中繼與非竊聽中繼2種場景的安全中斷概率與安全速率的關系。由圖5可以看出，當α1=0.8,α2=0.2,M=10,σSD=σSR=σRD=6 dB,σSE=σRE=1 dB時，2種場景的安全中斷概率都隨著安全速率的增加不斷增加。當RS較小的情況下，OMA和NOMA系統的2種場景都能取得較小的安全中斷概率，NOMA系統的中斷概率在相同場景下低于OMA系統的中斷概率。當RS較大的情況下，安全中斷概率呈現快速增長形式，但是基于NOMA系統的安全中斷概率總是低于OMA系統。

圖5 安全中斷概率與安全速率的關系

4.4 安全中斷概率與發送用戶數目的關系

圖6分析了基于OMA和NOMA系統下竊聽中繼與非竊聽中繼2種場景的安全中斷概率與發送用戶數目的關系。

圖6 安全中斷概率與發送用戶數目的關系

由圖6可以看出，當α1=0.95,α2=0.05,Rs1=Rs2=1,σSD=σSR=σRD=8 dB,σSE=σRE=2 dB時，2種場景的安全中斷概率隨發送用戶數目的增加都不斷減小，說明增加發送端用戶數目可以有效提升系統的安全性能。其次在圖中可以得出，隨著M的增加，相同場景下的NOMA系統的中斷概率相比OMA系統以更快的速度減小，尤其在非竊聽中繼的場景中最為明顯，說明增加發送用戶數目在NOMA系統中對提高系統的安全性能遠優于OMA系統。

5 結束語

本文提出了多用戶調度下的NOMA系統模型，并在此基礎上提出非竊聽中繼和竊聽中繼2種場景，分別通過計算得到了OMA技術和NOMA技術在2種場景下的安全中斷概率表達式。最后通過仿真和實驗詳細分析了2種場景下安全中斷概率與主信道信噪比、竊聽信道信噪比、安全速率和發送用戶數目之間的關系。實驗結果顯示NOMA技術在對提高系統安全性能、保證安全通信方面遠優于OMA系統，并且隨著M增大這種差距更加明顯。提高主信道SNR、增加發送用戶數目對NOMA系統安全性能的提高有較明顯的效果。