NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的物理層安全

丁一凡，李光球，李輝

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

0 引言

終端直通（2evice-to-2evice，D2D）技術(shù)允許用戶設(shè)備在基站的控制下實(shí)現(xiàn)彼此之間的直接通信，有效地提高了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率或吞吐量[1-2]。文獻(xiàn)[3]提出一種聯(lián)合鏈路共享與功率分配算法，在滿足蜂窩用戶服務(wù)質(zhì)量的條件下最大化D2D無(wú)線系統(tǒng)的吞吐量。文獻(xiàn)[4]通過(guò)多對(duì)D2D用戶重用信道，提出了一種兩階段資源分配算法來(lái)提升D2D無(wú)線系統(tǒng)的總?cè)萘?。非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術(shù)利用串行干擾消除（successive interference cancellation，SIC）算法來(lái)避免同道干擾，從而可以在相同的頻帶上同時(shí)為多個(gè)用戶設(shè)備提供服務(wù)，是另一種有效提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的技術(shù)[5]，其與中繼協(xié)作技術(shù)的結(jié)合可進(jìn)一步提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率。文獻(xiàn)[6]推導(dǎo)了全雙工中繼輔助NOMA無(wú)線系統(tǒng)的中斷概率和遍歷容量閉合表達(dá)式。D2D通信的異構(gòu)功率利用特性與NOMA技術(shù)高度契合，因此將NOMA、D2D與中繼協(xié)作3種技術(shù)集成可進(jìn)一步提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率[7]。文獻(xiàn)[8]推導(dǎo)了NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)容量閉合表達(dá)式。文獻(xiàn)[9]通過(guò)聯(lián)合兩時(shí)隙功率分配來(lái)最大化NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的遍歷和速率。文獻(xiàn)[10]提出一種最優(yōu)功率分配策略來(lái)最大化NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的遍歷和速率。

然而，無(wú)線傳輸固有的廣播特性使得蜂窩用戶、D2D用戶或NOMA用戶的數(shù)據(jù)面臨被竊聽(tīng)威脅，物理層安全（physical layer security，PLS）可實(shí)現(xiàn)無(wú)線系統(tǒng)在信息論意義上的安全通信，因此受到廣泛的關(guān)注[11-21]。文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)了采用發(fā)射天線選擇（transmit antenna selection，TAS）技術(shù)的中繼輔助D2D無(wú)線系統(tǒng)的安全中斷概率（secrecy outage probability，SOP）和漸近SOP閉合表達(dá)式。文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)了中繼節(jié)點(diǎn)充當(dāng)干擾器的D2D 無(wú)線系統(tǒng)的SOP、非零安全容量概率（non-zero secrecy capacity probability，NZSCP）和漸近SOP閉合表達(dá)式，其中的被動(dòng)竊聽(tīng)者采用選擇合并和最大比合并（maximal ratio combining，MRC）方式實(shí)施竊聽(tīng)。文獻(xiàn)[13]采用人工噪聲干擾技術(shù)來(lái)提高D2D無(wú)線系統(tǒng)的PLS性能，通過(guò)求解用戶信號(hào)與人工噪聲的最佳功率分配比來(lái)最大化系統(tǒng)的安全速率。文獻(xiàn)[14]提出一種自適應(yīng)協(xié)作干擾方案，該方案通過(guò)優(yōu)化干擾功率、模式切換標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)來(lái)最大化D2D無(wú)線系統(tǒng)的安全吞吐量。文獻(xiàn)[15]推導(dǎo)了采用TAS技術(shù)的NOMA無(wú)線系統(tǒng)的SOP閉合表達(dá)式。文獻(xiàn)[16]推導(dǎo)了采用半/全雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)（2eco2e-an2-forwar2，DF）NOMA無(wú)線系統(tǒng)的SOP閉合表達(dá)式。文獻(xiàn)[17]研究了近端用戶充當(dāng)全雙工中繼節(jié)點(diǎn)的NOMA協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的PLS性能，考慮到全雙工中繼存在自干擾下推導(dǎo)出系統(tǒng)SOP閉合表達(dá)式。文獻(xiàn)[18]研究了Nakagami-m衰落信道上多中繼選擇的NOMA協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的PLS性能，并推導(dǎo)出3種最優(yōu)中繼選擇方案下系統(tǒng)的SOP閉合表達(dá)式。文獻(xiàn)[19]研究了竊聽(tīng)者空間位置隨機(jī)分布的上行NOMA無(wú)線系統(tǒng)的PLS性能，提出一種基于全雙工基站干擾的安全傳輸方案來(lái)提高系統(tǒng)的安全吞吐量。文獻(xiàn)[20-21]提出利用人工噪聲干擾竊聽(tīng)者的方案，該方案有效提升了中繼節(jié)點(diǎn)被竊聽(tīng)場(chǎng)景下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的PLS性能，而基站和中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)被竊聽(tīng)的應(yīng)用場(chǎng)景尚需進(jìn)一步研究。

現(xiàn)有關(guān)于NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的研究主要集中在如何獲得高頻譜效率，然而，當(dāng)存在外部竊聽(tīng)者時(shí)，NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)中的用戶數(shù)據(jù)面臨安全隱患，為此，本文在文獻(xiàn)[21]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮基站和中繼節(jié)點(diǎn)同時(shí)被竊聽(tīng)的應(yīng)用場(chǎng)景，鑒于TAS技術(shù)可以增強(qiáng)無(wú)線系統(tǒng)的PLS性能，提出一種采用TAS技術(shù)的NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)PLS模型，研究基站基于近端用戶或遠(yuǎn)端蜂窩用戶的TAS兩種方案下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的物理層安全，并推導(dǎo)其SOP、NZSCP和漸近SOP近似表達(dá)式，之后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)模型

考慮采用TAS技術(shù)的NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)PLS模型，如圖1所示。由一個(gè)基站S、一對(duì)D2D用戶（即發(fā)射端DT和接收端DR）、一個(gè)蜂窩用戶U和一個(gè)被動(dòng)竊聽(tīng)者E組成，其中，DT和U是S的一對(duì)NOMA近端和遠(yuǎn)端用戶，DR和U是DT的一對(duì)NOMA近端和遠(yuǎn)端用戶；S配備M根發(fā)射天線并采用TAS技術(shù)，DT、DR、U以及E均只配備單根天線。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)允許D2D用戶占用其頻譜資源完成信息傳輸，此外，DT還充當(dāng)DF中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)協(xié)助遠(yuǎn)端U進(jìn)行信息安全傳輸。NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的工作過(guò)程分兩個(gè)時(shí)隙：第一個(gè)時(shí)隙，S采用TAS技術(shù)并以NOMA方式發(fā)送復(fù)合信號(hào)給DT和U，考慮S基于DT的TAS（TAS-DT）和基于U的TAS（TAS-U）兩種方案，TAS-DT側(cè)重保證DT的信息安全傳輸，TAS-U側(cè)重保證U的信息安全傳輸，而E被動(dòng)竊聽(tīng)S發(fā)送給DT和U的機(jī)密信息[15]；第二個(gè)時(shí)隙，D2D發(fā)射端DT作為DF中繼節(jié)點(diǎn)，工作在半雙工模式，以NOMA方式發(fā)送復(fù)合信號(hào)給DR和U，此時(shí)E被動(dòng)竊聽(tīng)DT發(fā)送給DR和U的機(jī)密信息，且S和DT無(wú)法獲得竊聽(tīng)鏈路的信道狀態(tài)信息；E將兩個(gè)時(shí)隙中竊聽(tīng)到的U信息以MRC方式進(jìn)行合并。

假定條件如下。

（1）DT、DR及E均具備完美SIC技術(shù)，而U不具備SIC技術(shù)。

（2）第一個(gè)時(shí)隙中S的第i根發(fā)射天線與DT和U的鏈路系數(shù)分別為SDT,ih 和SU,ih，第二個(gè)時(shí)隙DT→DR、DT→U的鏈路系數(shù)分別為DTDRh 和DTUh；S→E、DT→E的竊聽(tīng)鏈路系數(shù)分別為SEh和DTEh；上述所有鏈路系數(shù)均服從獨(dú)立復(fù)高斯分布CN (0,1)。

（3）S→DT、S→U、DT→DR及DT→U鏈路均具有完美信道狀態(tài)信息。

（4）S→DT、S→U鏈路上的加性白高斯噪聲（a22itive white Gaussian noise，ABGN）均服從CN (0,N0)分布；DT→DR、DT→U鏈路上的ABGN均服從 CN (0,N0′)分布；S→E鏈路上的ABGN服從 CN (0,NE)分布；DT→E鏈路上的ABGN服從 CN （ 0,NE′）分布。

圖1 NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)PLS模型

2 傳輸過(guò)程

2.1 主信道

2.1.1 TAS-DT

S基于DT進(jìn)行發(fā)射天線選擇，即選取使S→DT鏈路具有最大瞬時(shí)信干噪比（signal to interference-noise ratio，SINR）的天線發(fā)射信號(hào)。DT解碼時(shí)先將1x當(dāng)作干擾，解碼得到2x，然后利用SIC技術(shù)去除2x的影響，再解碼得到S發(fā)給自己的信號(hào)1x，因此DT解碼得到2x和1x的最大瞬時(shí)SINR為：

2.1.2 TAS-U

2.2 竊聽(tīng)信道

3 安全性能分析

3.1 安全中斷概率

圖1所示的NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP可定義為DT、U和DR的安全容量至少有一個(gè)小于其傳輸?shù)哪繕?biāo)安全速率 Rm的概率，m∈ {1 ,2,3}，即：

其 中， P1= Pr(C1＜ R1)、P2=Pr(C2＜R2)和P3= Pr(C3＜ R3)分別為DT、U和DR的SOP。令θ=22Rm，下面對(duì)TAS-DT和TAS-U兩種方案下

m NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP進(jìn)行推導(dǎo)。

3.1.1 TAS-DT

DT的SOP可表示為[15]：

與式（5）的推導(dǎo)類(lèi)似，可推得DR的SOP表達(dá)式為：

需特別注意的是，DR相較于DT可以看作單輸入單輸出NOMA無(wú)線系統(tǒng)中的近端用戶設(shè)備，式（12）與文獻(xiàn)[15]中式（10）一樣，故文獻(xiàn)[15]的結(jié)果為本文的特殊情況。

將式（5）、式（10）和式（12）代入式（3）中，可得TAS-DT方案下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP近似表達(dá)式為：

3.1.2 TAS-U

TAS-U方案下，DT和U的SOP類(lèi)似式（5）和式（10）的推導(dǎo)，則DT和U的SOP表達(dá)式分別為：

DR只接收來(lái)自DT發(fā)射的信號(hào)，故兩種方案下SOP一樣，因此TAS-U方案下，將式（14）、式（15）和式（12）代入式（3）中，可得NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP近似表達(dá)式為：

由式（13）和式（16）可得定理1。

定理1圖1的NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)在TAS-DT和TAS-U方案下的安全中斷概率均與直傳鏈路平均信噪比、基站S和中繼DT的功率分配系數(shù)1a、1b以及用戶DT、U和DR的目標(biāo)安全速率1R、2R和3R等參數(shù)有關(guān)。

3.2 非零安全容量概率

圖1所示的NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的NZSCP可定義為用戶DT、U和DR的安全容量均大于零的概率。令分別為用戶DT、U和DR的NZSCP，則NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的NZSCP表示為：

下面對(duì)兩種方案下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的NZSCP進(jìn)行推導(dǎo)。

3.2.1 TAS-DT

DT的NZSCP可表示為[15]：

利用文獻(xiàn)[22]中的式（3.381.4），可推得DT的NZSCP表達(dá)式為：

U 的NZSCP可表示為：

3.2.2 TAS-U

TAS-U方案下，DT和U的NZSCP類(lèi)似 式（19）和式（21）的推導(dǎo)，則DT和U的NZSCP表達(dá)式分別為：

此方案下，將式（25）、式（26）和式（23）代入式（17）中，可推得NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的NZSCP近似表達(dá)式為：

由式（24）和式（27）可得到定理2。

定理2 圖1的NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)在TAS-DT和TAS-U方案下的非零安全容量概率均與直傳鏈路平均信噪比、協(xié)作鏈路平均信噪比、基站S和中繼DT的功率分配系數(shù)a1、b1等參數(shù)有關(guān)。

若NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的NZSCP越高，竊聽(tīng)者E就越難竊聽(tīng)到用戶DT、U和DR的機(jī)密信息，其物理層安全性能越好。

3.3 漸近安全中斷概率

其中，2G表示安全分集增益，反映了NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP隨變化的快慢；Ga表示安全陣列增益；()o·表示高階無(wú)窮小項(xiàng)。

3.3.1 TAS-DT

對(duì)于DT，將其CDF的指數(shù)部分進(jìn)行麥克勞林級(jí)數(shù)展開(kāi)，僅保留展開(kāi)式的前兩項(xiàng)，于是DT的漸近CDF表示為：

利用文獻(xiàn)[22]中的式（3.381.4），可推得DT的漸近SOP表達(dá)式為：

3.3.2 TAS-U

TAS-U方案下DT和U的漸近SOP表達(dá)式為： 此方案下DT和U的安全陣列增益表達(dá)式分別為：

將式（36）、式（37）和式（12）代入式（3）中，可得TAS-U方案下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的漸近SOP表達(dá)式為：

由式（30）、式（32）、式（35）、式（36）、式（37）和式（40）可得到定理3。

定理3 針對(duì)圖1的NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)，可得出如下結(jié)論。

（1）TAS-DT方案下DT和U的安全分集增益均是M，而TAS-U方案下DT和U的安全分集增益均是1。

4 數(shù)值計(jì)算與仿真

下面利用MATLAB對(duì)NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的物理層安全性能指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和仿真，研究發(fā)射天線數(shù)M、直傳鏈路平均信噪比、S和DT的功率分配系數(shù)1a、1b等參數(shù)對(duì)NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)PLS性能的影響。由于在實(shí)際情況中，中繼節(jié)點(diǎn)DT的發(fā)射功率通常小于基站S，基于文獻(xiàn)[21]假定直傳鏈路和協(xié)作鏈路上ABGN的方差一樣，取。NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的仿真參數(shù)見(jiàn)表1，用戶DT、U和DR的SOP如圖2所示，不同下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP如圖3所示，不同1b下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP如圖4所示，不同mR下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP如圖5所示，用戶DT、U和DR的NZSCP如圖6所示，不同M和下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的NZSCP如圖7所示。若無(wú)特殊說(shuō)明，采用表1的參數(shù)設(shè)置[21]，結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2給出了用戶DT、U和DR的SOP性能曲線，可得以下結(jié)論。

（2）用戶DT的PLS性能還始終優(yōu)于DR，這是因?yàn)閷?shí)際情況中基站的發(fā)射功率通常大于D2D發(fā)射端作為中繼時(shí)的發(fā)射功率。

（3）DT和U的漸近SOP曲線在高信噪比下均能夠很好地逼近SOP仿真結(jié)果，這表明了數(shù)值推導(dǎo)的正確性。

圖2 用戶DT、U和DR的SOP

表1 NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的仿真參數(shù)

（2）NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的安全性能在TAS-DT方案下優(yōu)于TAS-U方案，這是因?yàn)閁的信道容量受限于S→DT鏈路及S→U、DT→U聯(lián)合鏈路的較小信道容量，因此可以著重考慮采用TAS-DT方案來(lái)提升NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的安全性能。

（3）NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的漸近SOP曲線在高信噪下很好地逼近SOP曲線，再次說(shuō)明了數(shù)值推導(dǎo)的正確性。

圖3 不同下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP

圖4給出了不同中繼功率分配系數(shù)1b下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP性能曲線。由圖4可知，NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP隨著1b的增大而增大，其PLS性能降低。如TAS-DT方案下，當(dāng)= 25 2B時(shí)，NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)在1b從0.1增大到0.3下的SOP由0.70惡化到0.93。這是因?yàn)镈T充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助遠(yuǎn)端蜂窩用戶U進(jìn)行信息安全傳輸，而1b的增大導(dǎo)致DT分配給U的功率減小，不能保證U的信息安全傳輸，故NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的安全性能降低。此外，NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)在TAS-DT方案下相較于TAS-U方案具有更優(yōu)的安全性能。

圖5給出了不同目標(biāo)安全速率 mR下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP性能曲線，可得以下結(jié)論。

（1）NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP隨著1a的增大而顯著增大，并且1a必須在0到0.5之間。這是因?yàn)?a減小2a就增大，在基站總功率恒定時(shí)分配給U的功率增加，保證了遠(yuǎn)端蜂窩用戶的信息安全傳輸，NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的PLS性能提升。

（2）NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP隨著各用戶目標(biāo)安全速率的增大而增大，其PLS性能降低。如TAS-DT方案下，當(dāng)10.1a= ，R1=R2=R3= 0.1變 為 R1= 0.1, R2= 0.2, R3=0.3時(shí)，NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP從0.80惡化到0.92。這是因?yàn)槟繕?biāo)安全速率越大，對(duì)DR、DT以及U的信息安全傳輸要求越嚴(yán)格，所需安全容量越高，導(dǎo)致NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)更容易發(fā)生安全中斷，其PLS性能也就越低。

圖4 不同1b下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP

圖5 不同mR下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的SOP

圖6給出了用戶DT、U和DR的NZSCP性能曲線，可得以下結(jié)論。

（2）圖2和圖6中的DR在TAS-DT和TAS-U方案下的安全性能一樣，這是因?yàn)镈R只接收來(lái)自DT發(fā)射的信號(hào)，所以基站S采用的兩種TAS方案對(duì)DR沒(méi)有影響。

圖6 用戶DT、U和DR的NZSCP

圖7給出了TAS-DT方案下不同發(fā)射天線數(shù)M和竊聽(tīng)鏈路平均信噪比下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的NZSCP性能曲線，可得以下結(jié)論。

圖7 不同M和下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的NZSCP

5 結(jié)束語(yǔ)

本文推導(dǎo)了TAS-DT和TAS-U兩種方案下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的安全中斷概率、非零安全容量概率和漸近安全中斷概率近似表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)表明：NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的物理層安全性能在TAS-DT方案下優(yōu)于TAS-U方案；并且基站總功率恒定時(shí)增大分配給遠(yuǎn)端蜂窩用戶的功率，能夠有效提升NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的物理層安全性能；當(dāng)基站發(fā)射天線數(shù)增加時(shí)，NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)具有更優(yōu)的安全性能。后續(xù)筆者將進(jìn)一步研究多竊聽(tīng)場(chǎng)景下NOMA-D2D協(xié)作無(wú)線系統(tǒng)的物理層安全性能。