自适应窃听下NOMA用户协作干扰的物理层安全研究

路晓华,贺玉成,2∗,周 林,2

(1.华侨大学 厦门市移动多媒体通信重点实验室,福建 厦门 361021;

2.西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西 西安 710071)

0 引言

非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术是5G无线通信系统的关键技术之一,因为它可以满足异构的低延迟和高可靠性的需求,并且可以通过提供高吞吐量和更好的频谱效率来支持大规模的连接[1]。它使多个用户能够同时共享一个时隙、一个频率信道或一个扩展码,方法是在发射机的功率域中对它们进行多路复用,并在接收机上使用连续干扰消除(SIC)来删除针对其他用户的消息[2]。然而,由于无线信道的广播特性,NOMA技术虽然可以提高频谱效率,增强用户的公平性,但是它不能防止被窃听[3]。在此背景下,针对NOMA使用物理层安全技术的安全配置已有许多研究成果。文献[4]针对传输速率的最优设计,研究了具有保密考虑的NOMA译码顺序和功率分配问题。文献[5-6]研究了NOMA的人工噪声保密波束形成。全双工NOMA的鲁棒安全功率分配和子载波分配问题在文献[7]中得到了解决。文献[8-9]设计和分析了协作中继NOMA系统的安全问题。文献[10]针对NOMA用户通信场景下的多用户调度策略,对非窃听中继和窃听中继2种场景分别进行了研究分析。此外,在 PD-NOMA 的物理层安全中存在 2 种窃听器:一种是外部被动窃听器,发送端无法识别其信道;另一种是内部主动窃听器,发送端可识别其信道[11]。在存在外部窃听器的情况下,对NOMA系统的安全性进行研究。

上述所有关于NOMA安全的工作都假设窃听者以半双工模式工作,并且只执行被动窃听。然而,窃听者可能更加智能,例如,可以自适应地执行被动窃听和主动干扰的工作模式[12]。由于NOMA受干扰限制,发射的干扰可以显著降低用户的数据速率,从而提高窃听者的截获能力。自适应窃听安全NOMA网络的理论研究在文献中还比较缺乏。此外,窃听者往往是被动的,用户很难获得窃听者的干扰水平。在不精确知道干扰等级的情况下,NOMA用户可能会发生高概率的传输中断,从而导致保密中断。为了解决上述具有挑战性的NOMA系统问题,针对自适应窃听下NOMA系统,提出了一种新的合作方案,分析推导了NOMA系统用户的性能指标。

1 系统模型

对自适应窃听下NOMA网络的物理层安全建立了一个全双工协作干扰和中继协作的双用户系统模型,如图1所示,包含一个源节点(S)、一个中心用户节点(A)、一个边缘用户节点(B)以及一个智能窃听节点(E)。假设节点S、节点A和窃听节点E配备单天线,工作于半双工(HD)的工作模式。节点B配备双天线,采用全双工技术收发信息,并用于协作干扰,本文假设由全双工带来的自干扰已通过模拟消除和数字消除技术完全消除。智能窃听者E采用自适应窃听技术,可在被动窃听与主动干扰2种工作模式下自由切换,假设它主要窃听节点A的信号信息。

所有信道均为准静态平坦 Rayleigh衰落信道,且具有完美的互易性。通信链路S-A,S-B,S-E,A-B,B-E的信道系数hij(ij∈{SA,SB,SE,AB,BE}),相应的信道增益|hij|2(ij∈{SA,SB,SE,AB,BE})分别服从均值为λij(λSA,λSB,λSE,λAB,λBE)的指数分布。在节点A,B,E处有方差为δ2的加性高斯白噪声。

假设网络拓扑结构为:① 节点A距离源节点S较近,节点B距离源节点S较远;② 智能窃听者E仅窃听节点A的信息;③ 智能窃听者E位于S和A的覆盖范围内。

图1 系统模型Fig.1 System Model

本网络的传输分两阶段完成,令节点S,A,B,E的发射功率分别表示为PS,PA,PB,PE,传输过程具体描述如下。

1.1 第一时隙

智能窃听者将根据链路S-E的信道质量,决定工作于被动窃听或主动干扰模式。当S-E信道增益超过预设阈值ηE,即:

① 当|hSE|2≥ηE时,窃听者E执行窃听模式,此时A,B,E端的接收信号分别为:

② 当|hSE|2<ηE时,窃听者执行干扰模式,以功率PE发送人工干扰信号v,此时用户A端的接收信号为:

1.2 第二时隙

本模型中,研究的是一个没有实际中继的合作NOMA系统的保密性能,合作的概念是通过系统的强大用户来充当中继转发弱用户信号,弱用户向自适应窃听者发送干扰信号实现的。因此在第二时隙,强用户A作为一个中继协助转发弱用户信号,强用户A利用连续干扰消除(SIC)技术解码提取出弱用户B的信号,以发射功率PA广播该信号。因自适应窃听者仅窃听用户A的状态信息。故只有用户B接收该信息,接收信号为:

在NOMA中,每个接收机的SIC译码总是从弱信号开始,向强信号发展。节点A接收端根据SIC技术,首先对信号解码并直接将其余信号视为噪声信号,对信号xB解码成功后继续解码剩余信号。为计算简单起见,令γi=Pi/δ2,(i∈S,A,B,E)。可得各部分的信干噪比(SINR)为:

节点A 成功解码信号xB并将其消除后继续对信号xA进行解码,其SNR表示为:

节点B直接将除信号xB之外的其余信号视为干扰信号,对其解码。因此,节点B在第一时隙与第二时隙接收SINR分别为:

节点B对2个时隙的接收信号采用选择合并(SC)的技术,合并后其接收SINR为:

智能窃听节点E对接收到的叠加信号进行信号检测和解码,仅窃听节点A的信号信息。将节点B的信号信息视为噪声信号,其接收SINR为:

在瑞利衰落信道模型中,信道增益|hij|2服从指数分布,其累积分布函数(CDF)为F|hij|2(x)=1-exp(-x/λij),ij∈SA,SB,SE,AB,BE{}。

2 性能分析

分析2种方案下强用户A的精确安全中断概率(SOP)和弱用户B的中断概率(OP)。

2.1 用户A与用户B相互合作

该方案下,用户A与用户B采取相互合作的方式提高自身性能指标,窃听者E仅窃听用户A的信号信息,并可选择在被动窃听或主动干扰2种工作模式下自由切换。它不仅可以截获叠加信号进行窃听,还会向合法接收节点A发送干扰信号v,混淆合法接收节点的信号接收,这对安全通信是一个挑战。为此,用户A为提高自身性能,采用与用户B合作的方式,首先用户A采用SIC技术对xB信号进行解码,解码成功后转发给用户B,这将大大提升用户B的通信质量。作为回报,用户B利用自身的全双工技术向窃听者E发送干扰信号,这将降低用户A信息被恶意窃听者窃听的概率。由此,用户A与用户B达成了合作的协议。

2.1.1 用户A的安全中断概率

与文献[14]相似,考虑最坏情况下的窃听者具有强大的分析能力和信号提取能力,对窃听到的叠加信号可以解码并单独提取出所需窃听的有用信号,用 户A的安全中断概率可以用数学形式表示为:

式中,A1为自适应窃听者工作在窃听模式下,用户A能否成功解码xB信号下安全容量低于给定阈值γ2的概率;A2为干扰模式下,用户A能否成功解码xB信号下安全容量低于给定阈值γ2的概率。当用户A不能成功解码用户B信号或用户A成功解码xB信号但其安全容量低于给定阈值时,安全中断事件将会发生。A1,A2表达式分别如下:

将式(13)和式(14)带入式(12)可得用户A处的安全中断概率闭式表达式。

2.1.2 用户B的中断概率考虑在合作方案下用户B的中断概率,用户B是在2个时隙下完成信息的接收,由文献[15],当合法信道链路的瞬时数据传输速率低于最小数据传输速率RminB时,发生中断,可表示为:

其中,由概率论知识得B1为:

同理,得

2.2 用户A与用户B无合作

2.2.1 用户A的安全中断概率(SOP)

该方案下,用户B不再向自适应窃听者发送干扰信号,这种方案下用户A的SOP为:

2.2.2 用户B的中断概率分析

该方案下,用户A不协助用户B转发其信号xB,即为从源节点S到用户B直达链路下的中断概率:

3 仿真结果与分析

对NOMA系统模型2种方案下进行Matlab仿真,对上述理论分析结果进行验证,其中仿真中的相关参数设置如下:噪声功率σ2=1 dBm,链路S-A,S-B,S-E,A-B,B-E的平均信道增益分别设置为λSA=λAB=1 ,λBE=λSE=0.05 ,λSB=0.1,蒙特卡洛仿真次数均为106次。

图2和图3中分别仿真了在2种方案下用户A和用户B随源节点发射功率变化下的安全中断概率和中断概率性能。其中目标速率设置为RSA=1.5 bit·s-1·Hz-1,RminA=RminB=1 bit·s-1·Hz-1,设置功率分配系数αA=0.2,αB=0.8,发射功率PA=PB=PE=20 dBm。可以看出,2个用户在合作方案下比于非合作方案的性能有很大的提升。另外,在传统的非合作NOMA系统中,中心用户A的性能确实优于边缘用户B。

图4和图5为显示不同功率分配因素下强、弱用户间的SOP变化。如图所示,αA的增加值表示αB(αA+αB=1)的减少值,弱用户B的OP和强用户A的SOP均为αA的函数。随着αA值的增加,强用户A的SOP呈下降趋势,弱用户B的OP呈上升趋势。

图2 用户A随源节点发射功率变化下的SOPFig.2 SOP of user A versus with the transmitting power of source node S

图3 用户B随源节点发射功率变化下的OPFig.3 OP of user B versus with the transmitting power of source node S

图4 用户A的SOP随功率分配因子αA变化的影响Fig.4 SOP of user A versus with power allocation factorαA

图5 用户B的OP随功率分配因子αA的变化Fig.5 OP of user B versus with power allocation factorαA

图5表明,当αA增加到一定值时,用户A在接收到叠加信号时,因解码用户B的信号失败率增加,而分配给用户B的功率更少,用户B的OP也随之增加,显示出合作方案下性能的优越性。

图6仿真了用户A充当中继协作转发用户B的信号时,其发射功率PA对用户B中断概率的性能的影响。图中设置源节点总发射功率PS=30 dBm,PB=20 dBm,PE=10 dBm,用户B的功率分配系数αB=0.8。 可以看出,在合作方案下用户B的中断概率随PA的增大而降低,而在非合作方案下用户B的中断概率不会发生变化,并从侧面验证了合作方案相对于非合作方案的优越性。

图6 用户B的OP随发射功率的变化Fig.6 OP of user B versus with transmission power

4 结束语

基于NOMA系统固有的协同特性,本文研究了强用户充当弱用户中继,弱用户采用全双工技术协作干扰窃听者的双用户系统的物理层安全性。在假设系统中存在一个智能窃听者的情况下,推导出了强用户的SOP以及弱用户的中断概率OP的闭式表达式,并进行了Matlab仿真。仿真结果表明,分析结果与仿真结果基本一致,验证了所提出合作方案的优越性,这将为NOMA系统的安全性提供新思路。