環(huán)境反向散射輔助NOMA網(wǎng)絡(luò)的隱蔽性能分析

杜劉通，文富鵬，張 碩，喬大偉，黃涂半特

(1.中國信息通信研究院 移動通信創(chuàng)新中心，北京 100191；2.北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京 100191；3.金磚國家未來網(wǎng)絡(luò)研究院中國分院國際合作部，廣東 深圳 518045；4.河南理工大學(xué) 應(yīng)急管理學(xué)院，河南 焦作 454000；5.金磚國家未來網(wǎng)絡(luò)研究院中國分院，廣東 深圳 518045)

0 引言

隨著第五代移動通信技術(shù)(5G)爆炸性的數(shù)據(jù)增長和接入需求,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)通過在發(fā)送端疊加編碼,在接收端使用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)對疊加信息進行解碼,可以提高頻譜效率和接入量[1-2]。憑借其優(yōu)點,NOMA吸引了眾多研究者的關(guān)注,成為5G及以后無線網(wǎng)絡(luò)中最具前途的無線接入技術(shù)之一[3-5]。然而,由于無線通信的開放性,傳統(tǒng)的安全通信技術(shù)已經(jīng)不能滿足信息安全傳輸?shù)男枨骩6],如何保證通信安全已成為NOMA系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一。為了提高通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩?一種可以隱藏?zé)o線信息傳輸過程的隱蔽通信方案受到了廣泛關(guān)注[7-9]。

為提高通信系統(tǒng)的安全性與隱私性,有學(xué)者在NOMA系統(tǒng)中引入了隱蔽通信。文獻[10]提出了NOMA網(wǎng)絡(luò)框架下隱蔽通信的系統(tǒng)模型,表明NOMA對實現(xiàn)隱蔽通信有著積極作用。文獻[11]研究了基于NOMA的車載網(wǎng)絡(luò)中外加干擾節(jié)點的隱蔽通信問題,提出了最大化有效隱蔽率(Effective Covert Rate, ECR)的優(yōu)化方案。文獻[12]在此模型上考慮了多天線干擾器對隱蔽通信的影響,研究結(jié)果表明,提高干擾機的最大干擾功率可以提高系統(tǒng)的隱蔽性能。此外,在上行NOMA系統(tǒng)中,文獻[13]利用能量收集干擾器輔助隱蔽通信,通過聯(lián)合優(yōu)化發(fā)射功率和時間切換因子,使得ECR最大化。然而,傳統(tǒng)的有源傳輸技術(shù)存在能量消耗較大和使用成本較高的問題,因此,尋找一種高效、經(jīng)濟、節(jié)能的解決方案迫在眉睫。

近年來,環(huán)境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication, AmBC)技術(shù)的發(fā)展為解決頻譜資源短缺和設(shè)備續(xù)航能力不足提供了可行性方案[14]。利用AmBC技術(shù),被動式反射設(shè)備可以從周圍環(huán)境的射頻信號中吸收能量實現(xiàn)電路激活,通過切換天線阻抗改變反射信號的幅度和相位實現(xiàn)信息傳輸[15]。相比于傳統(tǒng)的主動式通信技術(shù),AmBC技術(shù)不需要高功耗的主動式射頻模塊和專用的射頻激勵、通信載波,進而能夠提高通信能量效率,滿足物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)設(shè)備低功耗、長續(xù)航的需求[16]。基于此,有學(xué)者開展了AmBC技術(shù)與隱蔽通信相結(jié)合的研究。文獻[17]的研究表明,AmBC在加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN)信道上的極限隱蔽速率受制于眾所周知的平方根定律。Liu等[18]研究了存在不可控射頻源和全雙工接收機的AmBC網(wǎng)絡(luò)的隱蔽性能,全雙工接收機在接收信息的同時發(fā)射具有隨機功率的人工噪聲,干擾監(jiān)視器的通信行為檢測。此外,文獻[19]考慮了多天線標(biāo)簽,并將其分為傳輸隱蔽信息和傳輸公開信息兩部分,以提高網(wǎng)絡(luò)的隱蔽性能。

上述大部分工作在AmBC輔助的隱蔽通信方面往往只考慮單一用戶的情況。隨著IoT的飛速發(fā)展,多任務(wù)通信場景成為了人們關(guān)注的重點,AmBC輔助的隱蔽通信和NOMA的結(jié)合,可以實現(xiàn)綠色節(jié)能、高頻譜效率地信息傳輸。文獻[20]提出了一種AmBC-NOMA系統(tǒng)的框架,并證明所提出的系統(tǒng)比正交多址接入(Orthogonal Multiple Access, OMA)情況具有更好的用戶公平性。文獻[21]提出使用NOMA方案支持多個反向散射節(jié)點設(shè)備連接。結(jié)果表明,NOMA在AmBC系統(tǒng)中實現(xiàn)了更好的性能提升。文獻[22]提出了一種AmBC共生NOMA系統(tǒng),該系統(tǒng)將下行鏈路NOMA系統(tǒng)與反向散射設(shè)備相結(jié)合,并對系統(tǒng)的中斷性能進行探究。文獻[23]研究了存在多種非理想因素下,AmBC-NOMA系統(tǒng)的物理層安全性能。

以上研究體現(xiàn)了AmBC-NOMA系統(tǒng)在保密通信、頻譜效率和中斷性能等方面的優(yōu)勢,但是對隱蔽通信性能方面的研究還處于空白,體現(xiàn)了本次研究內(nèi)容的必要性。

本文的研究工作和主要貢獻如下:

① 提出一種基于AmBC-NOMA系統(tǒng)的隱蔽通信方案,其中射頻源發(fā)射滿足均勻分布的隨機功率信號,以此對監(jiān)測者的檢測進行干擾。

② 計算出監(jiān)測者檢測錯誤概率的精確表達式,推導(dǎo)出最佳檢測閾值和對應(yīng)的最小檢測錯誤概率。計算得到NOMA用戶中斷概率(Outage Probability, OP)的閉式表達式,揭示了最大發(fā)射功率、功率分配系數(shù)對系統(tǒng)中斷性能的影響。

③ 將系統(tǒng)最大化ECR轉(zhuǎn)化為優(yōu)化功率分配系數(shù)的問題。在隱蔽性約束和可靠性約束條件下最大化系統(tǒng)ECR,實現(xiàn)系統(tǒng)中隱蔽性和可靠性之間的平衡。

1 系統(tǒng)模型

本節(jié)首先詳細介紹了系統(tǒng)模型和相關(guān)假設(shè),其次為了提高系統(tǒng)隱蔽性能,設(shè)計了干擾策略,最后描述了NOMA用戶的信息傳輸過程。

圖1為AmBC輔助NOMA系統(tǒng)模型。射頻源(Alice)通過直接鏈路和經(jīng)由反向散射設(shè)備(Tag)傳輸?shù)姆瓷滏溌穼⒐残畔⒑碗[蔽信息分別發(fā)送給合法用戶(Carol)和隱蔽用戶(Bob)。同時,監(jiān)測者(Willie)使用功率檢測器,被動檢測Alice與Bob之間是否發(fā)生了通信行為。為了防止Willie檢測到通信行為,Alice與Carol之間的正常通信為Alice與Bob之間的隱蔽通信作掩護。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

本文采用以下假設(shè):

1.1 干擾策略

如果將Alice的發(fā)射功率Pa設(shè)置為固定值,那么Willie將會通過多次檢測獲得發(fā)射功率值,從而輕易檢測到Alice和Bob之間的通信行為,導(dǎo)致Alice和Bob之間的隱蔽通信無法實現(xiàn)。因此,Alice引入隨機發(fā)射功率,可以讓W(xué)illie的接收功率產(chǎn)生不確定性,從而干擾Willie對隱蔽通信行為的檢測,假設(shè)Pa在每個時隙之間隨機變化,服從[0,Pmax]上的連續(xù)均勻分布,其概率密度函數(shù)(Probability Density Function, PDF)表示為:

(1)

式中:Pmax為Pa的最大值,Willie僅已知Pa的分布,未知瞬時值,有助于實現(xiàn)Alice與Bob之間的隱蔽通信。

1.2 信息傳輸

Alice向Carol發(fā)送公共信息的同時會向Bob發(fā)送隱蔽信息,因此Alice給NOMA用戶(Bob和Carol)發(fā)送的疊加信息可以表示為:

(2)

式中:xb(k)、xc(k)分別表示發(fā)送給Bob和Carol的合法信息,且滿足(|xb(k)|2)=(|xc(k)|2)=1;Pb=αPa表示用來給Bob傳輸信息的發(fā)射功率,Pc=(1-α)Pa表示用來給Carol傳輸信息的發(fā)射功率,α表示Alice的功率分配系數(shù)。為了保證系統(tǒng)性能和NOMA用戶之間的公平,Carol將會比Bob分配到更多的發(fā)送功率,即0<α≤0.5。Tag使用自己的消息c(k)將來自Alice的信號反向散射給Bob和Carol。因此,Bob和Carol處接收到的信號包括來自Alice的直接鏈路信號和來自Tag的反向散射鏈路信號。Bob和Carol處接收到的信號可以表示為:

(3)

(4)

2 Willie的檢測指標(biāo)

本節(jié)詳細分析了Willie的檢測性能,推導(dǎo)出檢測錯誤概率以及用戶OP的閉式表達式,最終求解出Willie的最佳檢測閾值和最小檢測錯誤概率。

2.1 Willie接收信號

在一個通信時隙中,Willie根據(jù)接收到的信號判斷Alice是否與Bob存在通信行為,可以視為一個二元假設(shè)檢驗。因此,Willie接收到的信號可以表示為:

(5)

(6)

Willie采用功率檢測器對通信行為進行檢測,基于奈曼-皮爾遜準(zhǔn)則,以Willie處的平均接收功率為檢驗統(tǒng)計量來最小化Willie的檢測錯誤概率,決策規(guī)則可以表示為:

(7)

(8)

式中:|Haw|2=|hat|2·|htw|2。

Willie的檢測錯誤概率決定其檢測性能的優(yōu)劣。因此,檢測錯誤概率可以表示為:

(9)

2.2 檢測錯誤概率

Willie的虛警概率PFA和漏檢概率PMD表示為:

PFA=Pr((|haw|2Law+|β|2|Haw|2LatLtw)(1-α)Pa+σ2≥τ)=

(10)

PMD=Pr((|haw|2Law+|β|2|Haw|2LatLtw)Pa+σ2≤τ)=

(11)

Willie的檢測錯誤概率可以表示為:

(12)

很明顯,Willie最優(yōu)檢測閾值的選擇不會出現(xiàn)在[0,σ2)和(ρ2,+∞)。當(dāng)τ∈[σ2,ρ1]時,ξ是關(guān)于τ的連續(xù)遞減函數(shù),此時,Willie的最優(yōu)閾值設(shè)置為ρ1。當(dāng)τ∈(ρ1,ρ2],ξ是關(guān)于τ的連續(xù)遞增函數(shù),此時,Willie的最優(yōu)閾值設(shè)置為ρ1。因此,Willie的最優(yōu)檢測閾值τ*=ρ1,相應(yīng)的最小檢測錯誤概率ξ*=1-α。結(jié)果表明,功率分配系數(shù)α對系統(tǒng)隱蔽性能有重要影響。當(dāng)α→1時,Willie總是會檢測到Alice和Bob之間的通信行為,不會實現(xiàn)隱蔽通信;當(dāng)α→0時,雖然可以保證隱蔽通信的實現(xiàn),但是此時Alice的發(fā)射功率都將分配給Carol,無法為Bob傳輸隱蔽信息。

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2.3 連接中斷概率

根據(jù)NOMA中的SIC方案,Bob首先解碼Carol的信息xc(k),然后從接收到的信號中消除Carol的信息,再解碼自己的信息。因此,在Bob處解碼Carol信息xc(k)的信干噪比(Singal to Interference plus Noise Ratio, SINR)可以表示為:

(13)

Bob成功解碼Carol信息并將其去掉后解碼自己的信息。此時,Bob解碼自己信息xb(k)的SINR可以表示為:

(14)

Carol將其他信息視為干擾來解碼自己的信息xc(k),其SINR可以表示為:

(15)

用rc=2Rc-1表示Carol的目標(biāo)SINR,當(dāng)xc(k)的傳輸速率低于預(yù)設(shè)的目標(biāo)速率Rc時將無法成功解碼信號,信息傳輸出現(xiàn)中斷。此時,Carol處OP的閉式形式表達式為:

(16)

可以看出,當(dāng)μ<α≤1時,Carol的OP為1,因為此時α值較大,使得Carol的接收SINR小于其設(shè)定的目標(biāo)SINR。

(17)

2.4 系統(tǒng)隱蔽性能

以系統(tǒng)最大ECR為目標(biāo),在一定隱蔽性約束和可靠性約束條件下,優(yōu)化功率分配系數(shù)α實現(xiàn)系統(tǒng)ECR最大化,優(yōu)化問題可以表示為

(18)

式中:ε是預(yù)設(shè)的隱蔽約束閾值,為一較小的常數(shù),δth為預(yù)設(shè)的Carol最大OP。

3 結(jié)果與討論

本節(jié)通過蒙特卡洛證明了理論分析的正確性。在仿真實驗中,假設(shè)所有直聯(lián)鏈路的路徑損耗因子η1為2.5,所有級聯(lián)鏈路的路徑損耗因子η2為3,各個節(jié)點之間的距離分別為dab=dtb=3 m、daw=dtw=4 m、dac=6 m、dat=2 m、dtc=5 m。此外,Bob和Carol的預(yù)設(shè)速率為Rb=Rc=1 b/s/Hz,噪聲功率σ2=-30 dBm。

圖2給出了虛警概率PFA、漏檢概率PMD和檢測錯誤概率ξ隨檢測閾值τ的變化曲線?？梢钥闯?PFA隨著檢測閾值τ的增加而減小,PMD隨著檢測閾值τ的增加而增加,最終增加至1保持不變。當(dāng)τ繼續(xù)增大,PFA下降為0,ξ僅由PMD決定,ξ開始上升,出現(xiàn)拐點,該拐點τ使得ξ最小,即為τ*,其對應(yīng)的檢測錯誤概率即為最小檢測錯誤概率ξ*。當(dāng)τ固定時,α的減小使得PFA增加,這是因為α的減小導(dǎo)致Alice向Carol傳輸信息時的發(fā)射功率變大,對Willie來說同等條件下出現(xiàn)虛警的概率會增加;不同的是,PMD不受α的影響。

圖2 不同錯誤概率與檢測閾值τ的關(guān)系Fig.2 Different error probabilities versus detection thresholds τ

圖3給出了α對OP影響的理論分析和蒙特卡洛曲線。可以看出,理論分析和蒙特卡洛曲線完美吻合,并且Carol的OP隨著α的增加而增加,而Bob的OP先減小后增加,并且最終都達到1。這是因為隨著α的增加,分配給遠用戶Carol的發(fā)送功率減小,OP上升;由于Bob需要先對Carol的信息進行解碼,只有在成功解碼后才能解碼自身的信息。因此,α的增加使得傳輸Bob信息的功率增大,傳輸Carol信息的功率減小,導(dǎo)致Bob成功解碼Carol信息的概率降低,在某一范圍中,會使得Bob解碼自身信息的OP取得最小值,從而呈現(xiàn)先減小后增大的曲線。此外,在α固定時,增大發(fā)射功率可以顯著增加用戶的中斷性能。

圖3 OP與功率分配系數(shù)α的關(guān)系Fig.3 OP versus power allocation factors α

圖4給出了在不同隱蔽性約束閾值ε和可靠性約束閾值δth下,系統(tǒng)最大ECR隨Pmax變化的曲線?？梢钥闯?系統(tǒng)ECR和ε正相關(guān),隨著ε的增加,系統(tǒng)ECR顯著增加。當(dāng)ε固定時,放松對可靠性的要求,即δth增加,在一個確定的Pmax范圍內(nèi),會增加分配給隱蔽用戶的功率。因此,可以通過較小的發(fā)射功率產(chǎn)生滿足約束要求的最大ECR,但超出該范圍后,并不影響最大ECR。此外,隨著Pmax的增加,系統(tǒng)最大ECR先增加然后趨于定值。

圖4 最大ECR與最大發(fā)射功率Pmax的關(guān)系Fig.4 Maximum ECR versus maximum transmit powers Pmax

4 結(jié)束語

本文研究了AmBC-NOMA網(wǎng)絡(luò)下的隱蔽通信性能。在瑞利衰落條件下,Alice通過發(fā)射隨機功率,增加Willie檢測的不確定性。通過推導(dǎo)最小檢測錯誤概率以及NOMA用戶OP的精確表達式,得到了在滿足隱蔽性要求和服務(wù)質(zhì)量的條件上的系統(tǒng)最大ECR。仿真結(jié)果表明,AmBC-NOMA網(wǎng)絡(luò)下的隱蔽通信方案可以實現(xiàn)良好的隱蔽速率。此外,本文的通信方案有較好的參考價值,可以擴展到NOMA多用戶場景,對未來多用戶隱蔽通信的研究具有重要意義。