自適應竊聽下NOMA用戶協(xié)作干擾的物理層安全研究

路曉華,賀玉成,2?,周 林,2

(1.華僑大學 廈門市移動多媒體通信重點實驗室,福建 廈門 361021;

2.西安電子科技大學 綜合業(yè)務網(wǎng)理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西 西安 710071)

0 引言

非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技術是5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一,因為它可以滿足異構的低延遲和高可靠性的需求,并且可以通過提供高吞吐量和更好的頻譜效率來支持大規(guī)模的連接[1]。它使多個用戶能夠同時共享一個時隙、一個頻率信道或一個擴展碼,方法是在發(fā)射機的功率域中對它們進行多路復用,并在接收機上使用連續(xù)干擾消除(SIC)來刪除針對其他用戶的消息[2]。然而,由于無線信道的廣播特性,NOMA技術雖然可以提高頻譜效率,增強用戶的公平性,但是它不能防止被竊聽[3]。在此背景下,針對NOMA使用物理層安全技術的安全配置已有許多研究成果。文獻[4]針對傳輸速率的最優(yōu)設計,研究了具有保密考慮的NOMA譯碼順序和功率分配問題。文獻[5-6]研究了NOMA的人工噪聲保密波束形成。全雙工NOMA的魯棒安全功率分配和子載波分配問題在文獻[7]中得到了解決。文獻[8-9]設計和分析了協(xié)作中繼NOMA系統(tǒng)的安全問題。文獻[10]針對NOMA用戶通信場景下的多用戶調(diào)度策略,對非竊聽中繼和竊聽中繼2種場景分別進行了研究分析。此外,在 PD-NOMA 的物理層安全中存在 2 種竊聽器:一種是外部被動竊聽器,發(fā)送端無法識別其信道;另一種是內(nèi)部主動竊聽器,發(fā)送端可識別其信道[11]。在存在外部竊聽器的情況下,對NOMA系統(tǒng)的安全性進行研究。

上述所有關于NOMA安全的工作都假設竊聽者以半雙工模式工作,并且只執(zhí)行被動竊聽。然而,竊聽者可能更加智能,例如,可以自適應地執(zhí)行被動竊聽和主動干擾的工作模式[12]。由于NOMA受干擾限制,發(fā)射的干擾可以顯著降低用戶的數(shù)據(jù)速率,從而提高竊聽者的截獲能力。自適應竊聽安全NOMA網(wǎng)絡的理論研究在文獻中還比較缺乏。此外,竊聽者往往是被動的,用戶很難獲得竊聽者的干擾水平。在不精確知道干擾等級的情況下,NOMA用戶可能會發(fā)生高概率的傳輸中斷,從而導致保密中斷。為了解決上述具有挑戰(zhàn)性的NOMA系統(tǒng)問題,針對自適應竊聽下NOMA系統(tǒng),提出了一種新的合作方案,分析推導了NOMA系統(tǒng)用戶的性能指標。

1 系統(tǒng)模型

對自適應竊聽下NOMA網(wǎng)絡的物理層安全建立了一個全雙工協(xié)作干擾和中繼協(xié)作的雙用戶系統(tǒng)模型,如圖1所示,包含一個源節(jié)點(S)、一個中心用戶節(jié)點(A)、一個邊緣用戶節(jié)點(B)以及一個智能竊聽節(jié)點(E)。假設節(jié)點S、節(jié)點A和竊聽節(jié)點E配備單天線,工作于半雙工(HD)的工作模式。節(jié)點B配備雙天線,采用全雙工技術收發(fā)信息,并用于協(xié)作干擾,本文假設由全雙工帶來的自干擾已通過模擬消除和數(shù)字消除技術完全消除。智能竊聽者E采用自適應竊聽技術,可在被動竊聽與主動干擾2種工作模式下自由切換,假設它主要竊聽節(jié)點A的信號信息。

所有信道均為準靜態(tài)平坦 Rayleigh衰落信道,且具有完美的互易性。通信鏈路S-A,S-B,S-E,A-B,B-E的信道系數(shù)hij(ij∈{SA,SB,SE,AB,BE}),相應的信道增益|hij|2(ij∈{SA,SB,SE,AB,BE})分別服從均值為λij(λSA,λSB,λSE,λAB,λBE)的指數(shù)分布。在節(jié)點A,B,E處有方差為δ2的加性高斯白噪聲。

假設網(wǎng)絡拓撲結構為:① 節(jié)點A距離源節(jié)點S較近,節(jié)點B距離源節(jié)點S較遠;② 智能竊聽者E僅竊聽節(jié)點A的信息;③ 智能竊聽者E位于S和A的覆蓋范圍內(nèi)。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System Model

本網(wǎng)絡的傳輸分兩階段完成,令節(jié)點S,A,B,E的發(fā)射功率分別表示為PS,PA,PB,PE,傳輸過程具體描述如下。

1.1 第一時隙

智能竊聽者將根據(jù)鏈路S-E的信道質(zhì)量,決定工作于被動竊聽或主動干擾模式。當S-E信道增益超過預設閾值ηE,即:

① 當|hSE|2≥ηE時,竊聽者E執(zhí)行竊聽模式,此時A,B,E端的接收信號分別為:

② 當|hSE|2<ηE時,竊聽者執(zhí)行干擾模式,以功率PE發(fā)送人工干擾信號v,此時用戶A端的接收信號為:

1.2 第二時隙

本模型中,研究的是一個沒有實際中繼的合作NOMA系統(tǒng)的保密性能,合作的概念是通過系統(tǒng)的強大用戶來充當中繼轉(zhuǎn)發(fā)弱用戶信號,弱用戶向自適應竊聽者發(fā)送干擾信號實現(xiàn)的。因此在第二時隙,強用戶A作為一個中繼協(xié)助轉(zhuǎn)發(fā)弱用戶信號,強用戶A利用連續(xù)干擾消除(SIC)技術解碼提取出弱用戶B的信號,以發(fā)射功率PA廣播該信號。因自適應竊聽者僅竊聽用戶A的狀態(tài)信息。故只有用戶B接收該信息,接收信號為:

在NOMA中,每個接收機的SIC譯碼總是從弱信號開始,向強信號發(fā)展。節(jié)點A接收端根據(jù)SIC技術,首先對信號解碼并直接將其余信號視為噪聲信號,對信號xB解碼成功后繼續(xù)解碼剩余信號。為計算簡單起見,令γi=Pi/δ2,(i∈S,A,B,E)。可得各部分的信干噪比(SINR)為:

節(jié)點A 成功解碼信號xB并將其消除后繼續(xù)對信號xA進行解碼,其SNR表示為:

節(jié)點B直接將除信號xB之外的其余信號視為干擾信號,對其解碼。因此,節(jié)點B在第一時隙與第二時隙接收SINR分別為:

節(jié)點B對2個時隙的接收信號采用選擇合并(SC)的技術,合并后其接收SINR為:

智能竊聽節(jié)點E對接收到的疊加信號進行信號檢測和解碼,僅竊聽節(jié)點A的信號信息。將節(jié)點B的信號信息視為噪聲信號,其接收SINR為:

在瑞利衰落信道模型中,信道增益|hij|2服從指數(shù)分布,其累積分布函數(shù)(CDF)為F|hij|2(x)=1-exp(-x/λij),ij∈SA,SB,SE,AB,BE{}。

2 性能分析

分析2種方案下強用戶A的精確安全中斷概率(SOP)和弱用戶B的中斷概率(OP)。

2.1 用戶A與用戶B相互合作

該方案下,用戶A與用戶B采取相互合作的方式提高自身性能指標,竊聽者E僅竊聽用戶A的信號信息,并可選擇在被動竊聽或主動干擾2種工作模式下自由切換。它不僅可以截獲疊加信號進行竊聽,還會向合法接收節(jié)點A發(fā)送干擾信號v,混淆合法接收節(jié)點的信號接收,這對安全通信是一個挑戰(zhàn)。為此,用戶A為提高自身性能,采用與用戶B合作的方式,首先用戶A采用SIC技術對xB信號進行解碼,解碼成功后轉(zhuǎn)發(fā)給用戶B,這將大大提升用戶B的通信質(zhì)量。作為回報,用戶B利用自身的全雙工技術向竊聽者E發(fā)送干擾信號,這將降低用戶A信息被惡意竊聽者竊聽的概率。由此,用戶A與用戶B達成了合作的協(xié)議。

2.1.1 用戶A的安全中斷概率

與文獻[14]相似,考慮最壞情況下的竊聽者具有強大的分析能力和信號提取能力,對竊聽到的疊加信號可以解碼并單獨提取出所需竊聽的有用信號,用 戶A的安全中斷概率可以用數(shù)學形式表示為:

式中,A1為自適應竊聽者工作在竊聽模式下,用戶A能否成功解碼xB信號下安全容量低于給定閾值γ2的概率;A2為干擾模式下,用戶A能否成功解碼xB信號下安全容量低于給定閾值γ2的概率。當用戶A不能成功解碼用戶B信號或用戶A成功解碼xB信號但其安全容量低于給定閾值時,安全中斷事件將會發(fā)生。A1,A2表達式分別如下:

將式(13)和式(14)帶入式(12)可得用戶A處的安全中斷概率閉式表達式。

2.1.2 用戶B的中斷概率考慮在合作方案下用戶B的中斷概率,用戶B是在2個時隙下完成信息的接收,由文獻[15],當合法信道鏈路的瞬時數(shù)據(jù)傳輸速率低于最小數(shù)據(jù)傳輸速率RminB時,發(fā)生中斷,可表示為:

其中,由概率論知識得B1為:

同理,得

2.2 用戶A與用戶B無合作

2.2.1 用戶A的安全中斷概率(SOP)

該方案下,用戶B不再向自適應竊聽者發(fā)送干擾信號,這種方案下用戶A的SOP為:

2.2.2 用戶B的中斷概率分析

該方案下,用戶A不協(xié)助用戶B轉(zhuǎn)發(fā)其信號xB,即為從源節(jié)點S到用戶B直達鏈路下的中斷概率:

3 仿真結果與分析

對NOMA系統(tǒng)模型2種方案下進行Matlab仿真,對上述理論分析結果進行驗證,其中仿真中的相關參數(shù)設置如下:噪聲功率σ2=1 dBm,鏈路S-A,S-B,S-E,A-B,B-E的平均信道增益分別設置為λSA=λAB=1 ,λBE=λSE=0.05 ,λSB=0.1,蒙特卡洛仿真次數(shù)均為106次。

圖2和圖3中分別仿真了在2種方案下用戶A和用戶B隨源節(jié)點發(fā)射功率變化下的安全中斷概率和中斷概率性能。其中目標速率設置為RSA=1.5 bit·s-1·Hz-1,RminA=RminB=1 bit·s-1·Hz-1,設置功率分配系數(shù)αA=0.2,αB=0.8,發(fā)射功率PA=PB=PE=20 dBm。可以看出,2個用戶在合作方案下比于非合作方案的性能有很大的提升。另外,在傳統(tǒng)的非合作NOMA系統(tǒng)中,中心用戶A的性能確實優(yōu)于邊緣用戶B。

圖4和圖5為顯示不同功率分配因素下強、弱用戶間的SOP變化。如圖所示,αA的增加值表示αB(αA+αB=1)的減少值,弱用戶B的OP和強用戶A的SOP均為αA的函數(shù)。隨著αA值的增加,強用戶A的SOP呈下降趨勢,弱用戶B的OP呈上升趨勢。

圖2 用戶A隨源節(jié)點發(fā)射功率變化下的SOPFig.2 SOP of user A versus with the transmitting power of source node S

圖3 用戶B隨源節(jié)點發(fā)射功率變化下的OPFig.3 OP of user B versus with the transmitting power of source node S

圖4 用戶A的SOP隨功率分配因子αA變化的影響Fig.4 SOP of user A versus with power allocation factorαA

圖5 用戶B的OP隨功率分配因子αA的變化Fig.5 OP of user B versus with power allocation factorαA

圖5表明,當αA增加到一定值時,用戶A在接收到疊加信號時,因解碼用戶B的信號失敗率增加,而分配給用戶B的功率更少,用戶B的OP也隨之增加,顯示出合作方案下性能的優(yōu)越性。

圖6仿真了用戶A充當中繼協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)用戶B的信號時,其發(fā)射功率PA對用戶B中斷概率的性能的影響。圖中設置源節(jié)點總發(fā)射功率PS=30 dBm,PB=20 dBm,PE=10 dBm,用戶B的功率分配系數(shù)αB=0.8。 可以看出,在合作方案下用戶B的中斷概率隨PA的增大而降低,而在非合作方案下用戶B的中斷概率不會發(fā)生變化,并從側面驗證了合作方案相對于非合作方案的優(yōu)越性。

圖6 用戶B的OP隨發(fā)射功率的變化Fig.6 OP of user B versus with transmission power

4 結束語

基于NOMA系統(tǒng)固有的協(xié)同特性,本文研究了強用戶充當弱用戶中繼,弱用戶采用全雙工技術協(xié)作干擾竊聽者的雙用戶系統(tǒng)的物理層安全性。在假設系統(tǒng)中存在一個智能竊聽者的情況下,推導出了強用戶的SOP以及弱用戶的中斷概率OP的閉式表達式,并進行了Matlab仿真。仿真結果表明,分析結果與仿真結果基本一致,驗證了所提出合作方案的優(yōu)越性,這將為NOMA系統(tǒng)的安全性提供新思路。