5G非正交多址系統中使用全雙工基站干擾的安全傳輸方案

王夕予,陳亞軍,肖敏,許曉明

(1.南京大學金陵學院,210019,南京; 2.國家數字交換系統工程技術研究中心,450002,鄭州; 3.南京郵電大學自動化學院,210046,南京)

作為5G通信中的一種重要多址方式,非正交多址(NOMA)技術允許多個用戶設備(UE)共用一個正交的資源塊,能夠緩解頻譜資源不足帶來的壓力[1-2]。在上行NOMA傳輸中,基站(BS)會使用連續干擾消除(SIC)技術以最大程度減少用戶間的相互干擾,其原理如下:BS首先解碼接收信號強度最大的UE的信號,此時,將其他用戶的信號當作干擾;然后,將解碼出的信號恢復為模擬信號,并從所有的接收信號中將此信號消除[2]。依此類推,解碼接收信號最強的UE信號時受到的用戶間干擾最大,解碼接收信號最弱的UE信號時不會受到干擾。相比于傳統正交多址技術,NOMA技術能夠大大提高頻譜效率,在5G通信系統中將有著巨大的應用前景[3-4]。

然而,由于NOMA上行傳輸中無線信號的開放性和廣播特性,竊聽者(Eve)可以對傳輸中的私密信息進行竊聽。為了保證私密信息的安全傳輸,物理層安全技術利用合法信道和竊聽信道間的差異,能夠實現私密信號傳輸的完美安全,已成為傳統密鑰體制的一種良好補充[5-6]。目前,圍繞NOMA物理層安全傳輸技術已有一些研究工作。文獻[7-8]考慮單發送者對多個接收者進行NOMA傳輸的場景,對安全波束賦形和功率分配等參數進行優化設計,但該場景沒有考慮實際蜂窩通信系統中發送者與接收者的位置分布特點。針對NOMA蜂窩通信系統,文獻[9]考慮BS配備單天線和多天線的場景,分別采用安全保護域和人工噪聲策略,對系統NOMA下行傳輸的安全性能進行分析;文獻[10]采用混合單播與多播的波束賦形方案,對系統頻譜效率和安全性的提升進行分析。但是,上述研究都僅關注NOMA下行傳輸場景,而沒有對NOMA上行傳輸場景展開研究。

在NOMA上行傳輸中,UE大多僅配備單天線,且計算能力和功率受限,而上述文獻中所使用波束賦形和人工噪聲等物理層安全策略要求發送方配備多天線,且計算復雜度較大,因此無法應用于上行NOMA傳輸系統。文獻[11]針對上行NOMA蜂窩通信系統展開研究,提出一種上行NOMA物理層安全性能分析框架,但是,該文獻僅考慮兩個用戶設備共用同一資源塊的情況,難以推廣到多個用戶設備共用資源塊的一般情況,且沒有提出能夠提高安全性能的傳輸策略。

針對上行NOMA蜂窩通信系統中私密信號的傳輸缺乏相應安全保障策略的問題,本文提出一種全雙工基站干擾策略,并對系統的安全性能提升進行分析。在全雙工基站干擾策略中,用戶設備在上行傳輸私密信息的同時,全雙工基站會發送人工噪聲干擾潛在的竊聽者。對于全雙工技術帶來的自干擾,可以通過高效的自干擾消除技術分別從模擬電路域、數字電路域和空域進行消除[12]。本文策略將安全通信的開銷從發送者轉移到了接收者,適宜用于用戶設備計算能力和功率都受限的上行通信場景。在此基礎上,本文考慮多個用戶共用一個資源塊的一般情況,進一步推導出NOMA上行傳輸系統的覆蓋概率和安全中斷概率,分別對系統可靠性和安全性進行衡量,并采用安全傳輸速率綜合衡量系統的可靠性和安全性。本文的研究結果可為NOMA上行蜂窩傳輸系統的部署和后續維護提供理論指導。

1 系統模型

1.1 網絡拓撲與信道模型

本文針對單小區上行蜂窩通信系統展開研究,如圖1所示。與傳統上行NOMA傳輸研究類似[13],假設BS位于平面中的原點,多個用戶均勻分布在以基站為圓心、R為半徑的圓內。在NOMA上行傳輸中,假設N個UE會共用同一個正交的資源塊,即在用戶調度過程中,基站會選擇N個UE使用同一個資源塊。由于在用戶調度時的隨機性,N個UE的位置分布φU可視為二項式點過程(BPP)[13]。對于被動竊聽的Eves,由于其在竊聽過程中長期保持靜默狀態,無法獲得其位置信息,因此采用泊松點過程(PPP)φE對Eves空間分布的隨機性進行刻畫。假設UE和BS都配備單天線,竊聽者為了偽裝自身,也僅配備單天線。對于無線信道,假設信號會經歷大尺度路徑損耗和小尺度瑞利衰落。其中,大尺度路徑損耗僅與傳輸距離有關,損耗系數為α;小尺度瑞利衰落增益由均值為1的負指數分布進行刻畫,且不同信道間小尺度衰落相互獨立;節點m與n之間小尺度瑞利信道增益用hmn表示。

圖1 單小區NOMA上行傳輸系統示意圖

1.2 干擾模型

根據NOMA上行傳輸的原理,多個UE共用同一個資源塊,因此用戶之間會相互干擾。在使用SIC消除用戶間干擾時,BS需要首先根據接收信號的強弱確定干擾消除的順序?？紤]到信道路徑損耗對接收信號強度帶來的影響遠大于信道小尺度衰落帶來的影響,因此本文考慮根據UE到BS的距離的遠近作為判斷接收信號強弱的依據[14]。值得指出的是,此方案忽略了小尺度衰落帶來的影響,能夠大大減少用于信道估計的信令開銷,更加貼近實際上行NOMA傳輸系統。在此方案下,假設N個UE距BS從近到遠為u1,u2,…,uN,其到BS的距離分別為d1,d2,…,dN。在解碼uk(1≤k≤N)發送的信息時,BS會先消除u1,…,uk-1的信息,然后將uk+1,…,uN的信息看作干擾。因此,對于uk,其受到的用戶間干擾可表示為

(1)

式中:PU表示UE的信號發送功率。

同時,假設在用戶調度過程中,使用相同資源塊的N個UE間距離差距足夠大,使得BS能夠成功進行SIC。需要指出的是,出于模型復雜度的考慮,完美SIC假設被廣泛應用于NOMA系統的分析中,如文獻[15-16]。

1.3 安全傳輸策略

為了保障UE私密信息傳輸的安全性,假設BS能夠工作在全雙工模式,在接收UE信息的同時發送隨機噪聲干擾潛在的竊聽者。由于信道中NOMA帶來的小區內干擾和基站全雙工模型帶來的自干擾強度遠大于熱噪聲,因此可認為此系統為干擾受限系統,即可以忽略系統中熱噪聲帶來的影響。此時,對于uk∈φu,其信干比γk可表示為

(2)

式中:Pn表示BS發送干擾噪聲的功率;η表示全雙工狀態下自干擾消除能力。對于竊聽者Eve∈φE,假設其有足夠強的多用戶信號檢測能力,即E能夠將使用同一正交資源塊中不同用戶的信號分離開。因此,其信干比γE可表示為

(3)

式中:dE,uk表示Eve與uk之間的距離;dBE表示BS與Eve之間的距離。此處,通過過高估計竊聽者的多用戶檢測能力,對私密信號傳輸可能面臨的最嚴峻的場景進行研究,因此所求出的安全性能可看作系統安全性能的下界。

考慮到UE有限的計算能力,本文采用固定速率Wyner安全編碼方案[17]。在該方案中,碼字傳輸速率為RC,私密信息傳輸速率為RS(RS

2 性能分析

2.1 覆蓋概率

首先,使用覆蓋概率對系統可靠性進行衡量。覆蓋概率定義為BS能夠成功解碼UE信息的概率。用P(·)表示事件發生的概率,數學上,uk的覆蓋概率可表示為

pk=P(lb(1+γk)>RB)

(4)

引理1對于uk,其覆蓋概率可由下式表示

(5)

式中

(6)

(7)

證明將式(2)代入式(4),覆蓋概率可進一步表示為

(8)

式中:Ex{·}表示關于x的期望;(a)表示hukb滿足均值為1的負指數分布;fdk(r)表示uk到b距離的概率密度函數。根據BPP的性質,可以獲得fdk(r)的閉式表達式。具體來說,對于一個圓內隨機分布的N個節點,到圓心第k遠的點,其到圓心距離的概率密度函數服從beta分布,具體表達式如式(7)所示[13]。

在給定dk=r的情況下,NOMA傳輸中用戶間干擾的拉普拉斯變換LIk進一步可表示為

(9)

式中:(a)表示不同信道小尺度衰落相互獨立且服從均值為1的負指數分布;(b)表示在dk=r的條件下di(k

結論1由上述分析可得,隨著噪聲功率的增加,覆蓋概率會減小。這是因為噪聲在干擾Eve的同時,也會通過自干擾對BS自身帶來干擾,同時UE距離BS的遠近次序會對覆蓋概率帶來復雜的影響。具體來說,當UE距離BS越近時,其受到的路徑損耗越小,但SIC后受到的用戶間干擾也越大。

2.2 安全中斷概率

對于系統的安全性能,使用安全中斷概率對其進行刻畫。此時,考慮威脅性最大的竊聽者。該竊聽者不一定距離uk最近,而是到uk的信道增益最大。當該竊聽者到uk的信道容量大于冗余編碼速率時,則稱系統發生了安全中斷。令β=2RC-RS-1,數學上,安全中斷概率可以表示為

(10)

引理2:對于uk,其安全中斷概率可由下式表示

(11)

其中

(12)

證明根據隨機幾何理論,pso,k可進一步表示為

(13)

式中(a)表示由PPP的概率生成函數(PGFL)與Jensen不等式求得[18]。與證明1的求解步驟一致,式(12)中的C可進一步表示為

(14)

結論2由上述分析可得,由于噪聲對Eves的干擾,隨著噪聲功率的增加,安全中斷概率逐漸減小。同時,UE距離BS的遠近次序越小,安全中斷概率也越大。這是因為當UE距BS越近時,BS噪聲對其周圍Eve的影響就越大,因此該UE通信的安全性就越強。

在結論1和結論2的基礎上,采用安全吞吐量ζk綜合衡量uk信息傳輸的可靠性與安全性。安全吞吐量ζk表示uk可靠且安全發送信息的平均安全速率,其數學表達式為[20]

ζk=RSpk(1-pso,k)

(15)

結論3由結論1和結論2可得,噪聲功率給系統可靠性和安全性帶來相反的影響,因此噪聲功率的選取需要考慮系統可靠性和安全性的折中。通過選取最優的噪聲功率,使安全吞吐量達到最大,能夠有效改善系統的可靠性和安全性,達到可靠性和安全性折中。

3 數值仿真

本章中,使用蒙特卡羅仿真對理論分析結果進行驗證,為實際NOMA上行傳輸系統的部署和后續維護提供理論指導。系統仿真參數預設如下:碼字傳輸速率RC=1 b/(s·Hz),私密信息傳輸速率RS=0.5 b/(s·Hz),BS半徑R=300 m,共用同一資源塊用戶數N=5,路徑損耗系數α=4,竊聽者密度λE=10-5m-2,自干擾消除系數η=-100 dB,噪聲發射功率Pn=20 dBm,上行用戶發射功率PU=20 dBm。同時,在[0,1 000] m×[0,1 000] m內對PPP模型進行仿真。

首先,分析了UE到BS距離的遠近次序對覆蓋概率與安全中斷概率的影響。由圖2可得,覆蓋概率的仿真值與理論值十分接近,由此可證明本文理論推導的正確性。對于安全中斷概率,仿真值比理論值略小,這是由于在推導安全中斷概率時,使用Jensen不等式得到了其實際值的上界。對于距BS由近到遠的UE,一方面,UE到基站的距離增加,路徑損耗增加,導致系統的可靠性降低;另一方面,UE在NOMA傳輸中受到的用戶間干擾變小,使得通信的可靠性增強,因此,這些UE的覆蓋概率先減小后增大。對于安全中斷概率,由于UE到BS越遠,BS的噪聲對其周圍的Eves影響就越小,因此安全中斷概率增加。

圖2 覆蓋概率和安全中斷概率示意圖

圖3 不同用戶安全傳輸速率示意圖

圖3分析了噪聲功率對不同UE安全傳輸速率的影響。由圖3可得,對于距BS最近的3個UE(k=1,2,3),安全傳輸速率ζk隨著噪聲功率Pn的增大而增加;對于距BS較遠的2個UE(k=4,5),安全傳輸速率ζk隨著噪聲功率Pn的增大先增大后減小。其主要原因是:全雙工噪聲干擾策略以犧牲可靠性為代價提升系統安全性能,因此存在一個最優的Pn使ζk最大。當UE距BS越近,噪聲帶來的安全增益越大,所以最優的Pn值也越大。同時,即使對于距基站最遠的用戶設備,在最優的噪聲功率下,該方案仍可以使其安全吞吐量提高約41%

4 結 論

針對NOMA上行系統中私密信息的安全傳輸問題,考慮到上行UE有限的計算能力和功耗,提出一種全雙工基站干擾策略提高系統安全性能。首先,為了對NOMA傳輸系統帶來的用戶間干擾進行刻畫,提出一種基于隨機幾何的理論分析模型;其次,在該模型的基礎上,求出覆蓋概率和安全中斷概率的表達式,對全雙工干擾策略下系統的可靠性和安全性進行分析。理論和仿真結果表明,全雙工干擾策略能夠有效提高系統的安全性能,同時,UE距離BS越近,其獲得的安全增益便越大。需要指出的是,本文基于理想SIC的假設,非理想SIC下NOMA系統物理層安全性能的分析將作為后續工作。