基于物理层安全的D2D功率控制和信道接入*

江琳丽，罗屹洁，张雅敏

（解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）

基于物理层安全的D2D功率控制和信道接入*

江琳丽，罗屹洁，张雅敏

（解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）

D2D通信技术在改善无线系统频谱效率和能量效能方面具有巨大潜能，因此在第五代移动通信网络中拥有大好前景。目前，针对D2D通信的研究主要集中在干扰避免、资源分配等方面，而对其安全性方面的考量较少。着眼D2D通信的物理层安全，考虑在满足D2D安全中断概率需求的条件下如何进行功率控制和信道接入来最大化网络容量的问题，从而在理论分析的基础上获得了功率控制和信道接入算法，并通过数值仿真验证了算法的有效性和可行性。

安全中断概率；功率控制；信道接入；D2D通信

0 引 言

D2D通信作为第五代移动通信系统的一个重要组成部分，因其能够提高频谱效率、为基站分担网络负载以及在紧急情况下的应用[1]等，受到越来越多的关注。D2D通信不需要通过基站而直接进行通信，通过与蜂窝用户共享信道可以提高频谱复用率。同时，由于D2D设备地理位置接近而降低了终端发射功率，因此在一定程度上解决了无线通信系统频谱资源匮乏的问题，同时提高了系统的能量效率[2]。但是，一方面由于要与蜂窝用户共用信道，D2D可能对蜂窝用户的正常通信造成一定的干扰；另一方面，在获得绕过基站直接通信便利的同时，D2D通信的安全性也会受到更大的威胁。

目前，针对D2D通信的大部分研究都集中在蜂窝网络中引入D2D通信后的干扰避免、资源分配方面等，而对于D2D使能蜂窝网络的物理层安全问题考虑较少。文献[3]获得了两个网络节点通过D2D直连和通过AP转发两种情形下的安全中断概率性能并进行了比较，发现D2D模式可以比译码转发的情形获得安全优势。文献[4-5]在安全场景下同时对D2D通信对的发射功率和信道分配进行优化，但考虑的是蜂窝用户的物理层安全问题，没有考虑D2D通信对的安全问题。鉴于此，本文从D2D通信本身的物理层安全问题出发来考虑，在满足D2D安全中断概率要求下，最大化整个系统的网络容量。

本文结构安排如下：首先建立系统模型，然后根据建立的模型对所求对象系统的网络容量进行描述，并明确要优化的目标函数，同时通过理论分析、公式推导和仿真验证，在满足D2D通信安全中断概率前提下，利用D2D用户的功率控制和信道接入算法，最大化系统的网络容量。

1 系统模型和问题描述

1.1 系统模型

本文考虑的系统模型为：蜂窝系统单一小区的下行链路，一个基站，M个蜂窝用户，使用M个彼此正交的信道，一个窃听者和一个D2D通信对。窃听者主要窃听D2D通信对。假设D2D通信对每次只能接入一个信道。系统模型如图1所示。

图1 系统模型

1.2 问题描述

假设基站的发射功率为PB，D2D通信对的传输功率为PD，噪声功率为N0，基站到第i个蜂窝用户的信道增益为hc,i，基站到D2D通信对接收机的信道增益为hbd，D2D通信对发射机到与之共享信道的蜂窝用户之间的信道增益为hdc，基站到窃听者的信道增益为hbe，则D2D通信对的可达速率为：

D2D通信对发射机到窃听者的信道增益为hde，则其安全速率为：

本文将用安全中断概率Pout=Pr{RDs〈Cs}〈ξ来表示D2D通信的最低安全需求：

假设除了窃听信道外，其他的信道信息都已知（一般讨论安全容量的情形中都这样假设）。由于窃听信道的状态信息不可知，因此假设hde，hbe满足指数分布则：

而蜂窝用户的总的可达速率为：

则包含D2D通信在内的系统总的可达速率为：

本文想要讨论的是在保证D2D通信安全的基础上，最大化系统容量的问题，可以表示为：

D2D通信对的传输功率越大，其自身的传输速率就越高。但是，因为D2D通信对要重用蜂窝用户的信道，所以会对蜂窝用户造成干扰，造成蜂窝系统的吞吐量下降。因此，需要求取最佳的D2D传输功率来最大化整个系统的总的网络容量。

2 问题求解和算法提出

2.1 问题求解

考虑网络容量，需对D2D发射功率PD求导并令其等于0，得到：

则式（7）的解取决于信道状态的情况。当Δ=B2-4AC≥0时，方程有解，解可能是极大值或者极小值，具体取决于二次求导的情况。二次求导为：

由式（11）无法直观看出其值是正还是负，但不管怎样，最佳的发射功率都将在{PDmin,PDopt,PDmax}中获得。再加上需要满足安全中断概率的要求，则使得网络容量最大化的最佳发射功率在{PDξ,PDopt,PDmax}中取得，其中PDξ表示满足安全中断概率要求的最小D2D传输功率。

2.2 功率控制和信道接入算法的提出

通过以上的分析，获得在D2D安全中断概率要求下的功率控制和信道接入算法，描述如下：

（1）选取合适的ξ，使得Pout(PD)≤ξ，将D2D发射功率的取值范围限定为PDξ≤PD≤PDmax。

（3）将D2D接入不同的蜂窝用户信道，计算网络容量：

并比较大小，选取能使网络容量最大化的信道接入，确定信道接入策略。

3 仿真分析

根据以上的分析，采用MATLAB对以上提出的功率控制和信道接入算法进行仿真。假设在一个单一小区中存在5个蜂窝用户，1个D2D通信对，1个窃听用户，蜂窝用户均匀分布在半径为1 000 m的小区内，D2D通信对之间的距离为20 m，所有的信道增益满足瑞利衰落，噪声功率为N0=10-10W，D2D发射功率PD(pW)∈[0,100]。图2为D2D安全中断概率随着D2D发射功率变化的曲线。从图2可以看出，D2D安全中断概率随着D2D发射功率的增大而减小。如果设定ξ=0.2375，则D2D的发射功率必须大于2 mW，则其取值范围为[2，100]。

图2 安全中断概率随D2D发射功率的变化情况

图3为D2D接入某一信道时，网络容量随其发射功率和变化的曲线，其中横坐标为PD，纵坐标为网络容量UC。可以看出，在这种信道条件下，UC是PD的凹函数，即随着D2D对发射功率的增大，系统效用函数UC先减小后增大，且在PDopt处取得极小值。在PD∈[2,100]约束条件下，UC∈[39.53,39.8]，在PD=2时取得最大值39.8，即最佳发射功率为2 mW。

图3 D2D接入某一信道时，网络容量随其发射功率变化的曲线

图4为D2D通信对接入5条不同信道后系统容量的曲线对比，其中横坐标为PD，纵坐标为网络容量UC，不同线型的曲线分别表示D2D对接入不同信道时的网络容量变化的曲线。

图4 D2D接入不同信道时，网络容量随其发射功率变化的曲线

根据图3和图4发现，网络容量的最大值确实是在D2D取值范围的端点获得，和理论分析的结果完全符合。同时，比较D2D通信对接入5种不同信道时的UCmax，显然此时仿真中D2D对接入第1条信道时的网络容量最大，且在PD=100时取得最大值48.81，即最佳发射功率为100 mW。

4 结 语

本文考虑了D2D通信的物理层安全问题，在满足其安全中断概率要求的情况下，优化D2D通信的发射功率和信道接入，以最大化整个系统的网络容量。同时，通过数值仿真对不同信道状态下的D2D功率控制和信道接入算法进行了验证和分析。

[1] Wei L,Hu R,Qian Y,Wu G.Enable Device-to-Device Communications Underlaying Cellular Networks: Challenges and Research Aspects[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(06)：90-96:.

[2] Zhou Z,Dong M,Ota K,et al.Energy Efficiency and Spectral Efficiency Tradeoff in Device-to-Device (D2D)Communications[J].IEEE Communications Letters,2014,3(05):485-488.

[3] Zhu D,Swindlehurst AL,Fakoorian SAA,et al.Deviceto-Device Communications: The Physical Layer Security Advantage[C].2014 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP),2014:1606-1610.

[4] Yue J,Ma C,Yu H,et al.Secrecy-b ased Access Control for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks[J].IEEE Communications Letters,2013,17(11): 2068-2071.

[5] Yue J,Ma C,Yu H,et al. Secrecy-based Channel Assignment for Device-to-Device Communication: An Auction Approach[C].International Conference on Wireless Communications & Signal Processing,2013,411(06):1-6.

江琳丽（1994—），女，本科，主要研究方向为无线通信；

罗屹洁（1981—），女，研究生，讲师，主要研究方向为无线通信；

张雅敏（1989—），女，本科，主要研究方向为无线通信。

Power Control and Channel Access for D2D Communications based on Physical Layer Security

JIANG Lin-li,LUO Yi-jie,ZHANG Ya-min
(College of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007,China)

D2D communications is a promising technology in 5G mobile communication network for its great potential in improving spectrum efficiency and energy efficiency of wireless systems. At present, much research of D2D communications is focused on interference avoidance and resource allocation, while less consideration on security. With focus on the physical layer security of D2D communications, and consideration on maximization problem of network capacity through power control and channel access of D2D communications in meeting the security outage probability of D2D communicationsk, the corresponding algorithm is derived through theory analysis, and meanwhile, its availability is verified via numerical simulation.

security outage probability; power control; channel access; D2D communication

TN91

A

1002-0802(2016)-07-0872-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.015

2016-03-19;

2016-06-17 Received date:2016-03-19;Revised date:2016-06-17