5G非正交多址系统中使用全双工基站干扰的安全传输方案

王夕予,陈亚军,肖敏,许晓明

(1.南京大学金陵学院,210019,南京; 2.国家数字交换系统工程技术研究中心,450002,郑州; 3.南京邮电大学自动化学院,210046,南京)

作为5G通信中的一种重要多址方式,非正交多址(NOMA)技术允许多个用户设备(UE)共用一个正交的资源块,能够缓解频谱资源不足带来的压力[1-2]。在上行NOMA传输中,基站(BS)会使用连续干扰消除(SIC)技术以最大程度减少用户间的相互干扰,其原理如下:BS首先解码接收信号强度最大的UE的信号,此时,将其他用户的信号当作干扰;然后,将解码出的信号恢复为模拟信号,并从所有的接收信号中将此信号消除[2]。依此类推,解码接收信号最强的UE信号时受到的用户间干扰最大,解码接收信号最弱的UE信号时不会受到干扰。相比于传统正交多址技术,NOMA技术能够大大提高频谱效率,在5G通信系统中将有着巨大的应用前景[3-4]。

然而,由于NOMA上行传输中无线信号的开放性和广播特性,窃听者(Eve)可以对传输中的私密信息进行窃听。为了保证私密信息的安全传输,物理层安全技术利用合法信道和窃听信道间的差异,能够实现私密信号传输的完美安全,已成为传统密钥体制的一种良好补充[5-6]。目前,围绕NOMA物理层安全传输技术已有一些研究工作。文献[7-8]考虑单发送者对多个接收者进行NOMA传输的场景,对安全波束赋形和功率分配等参数进行优化设计,但该场景没有考虑实际蜂窝通信系统中发送者与接收者的位置分布特点。针对NOMA蜂窝通信系统,文献[9]考虑BS配备单天线和多天线的场景,分别采用安全保护域和人工噪声策略,对系统NOMA下行传输的安全性能进行分析;文献[10]采用混合单播与多播的波束赋形方案,对系统频谱效率和安全性的提升进行分析。但是,上述研究都仅关注NOMA下行传输场景,而没有对NOMA上行传输场景展开研究。

在NOMA上行传输中,UE大多仅配备单天线,且计算能力和功率受限,而上述文献中所使用波束赋形和人工噪声等物理层安全策略要求发送方配备多天线,且计算复杂度较大,因此无法应用于上行NOMA传输系统。文献[11]针对上行NOMA蜂窝通信系统展开研究,提出一种上行NOMA物理层安全性能分析框架,但是,该文献仅考虑两个用户设备共用同一资源块的情况,难以推广到多个用户设备共用资源块的一般情况,且没有提出能够提高安全性能的传输策略。

针对上行NOMA蜂窝通信系统中私密信号的传输缺乏相应安全保障策略的问题,本文提出一种全双工基站干扰策略,并对系统的安全性能提升进行分析。在全双工基站干扰策略中,用户设备在上行传输私密信息的同时,全双工基站会发送人工噪声干扰潜在的窃听者。对于全双工技术带来的自干扰,可以通过高效的自干扰消除技术分别从模拟电路域、数字电路域和空域进行消除[12]。本文策略将安全通信的开销从发送者转移到了接收者,适宜用于用户设备计算能力和功率都受限的上行通信场景。在此基础上,本文考虑多个用户共用一个资源块的一般情况,进一步推导出NOMA上行传输系统的覆盖概率和安全中断概率,分别对系统可靠性和安全性进行衡量,并采用安全传输速率综合衡量系统的可靠性和安全性。本文的研究结果可为NOMA上行蜂窝传输系统的部署和后续维护提供理论指导。

1 系统模型

1.1 网络拓扑与信道模型

本文针对单小区上行蜂窝通信系统展开研究,如图1所示。与传统上行NOMA传输研究类似[13],假设BS位于平面中的原点,多个用户均匀分布在以基站为圆心、R为半径的圆内。在NOMA上行传输中,假设N个UE会共用同一个正交的资源块,即在用户调度过程中,基站会选择N个UE使用同一个资源块。由于在用户调度时的随机性,N个UE的位置分布φU可视为二项式点过程(BPP)[13]。对于被动窃听的Eves,由于其在窃听过程中长期保持静默状态,无法获得其位置信息,因此采用泊松点过程(PPP)φE对Eves空间分布的随机性进行刻画。假设UE和BS都配备单天线,窃听者为了伪装自身,也仅配备单天线。对于无线信道,假设信号会经历大尺度路径损耗和小尺度瑞利衰落。其中,大尺度路径损耗仅与传输距离有关,损耗系数为α;小尺度瑞利衰落增益由均值为1的负指数分布进行刻画,且不同信道间小尺度衰落相互独立;节点m与n之间小尺度瑞利信道增益用hmn表示。

图1 单小区NOMA上行传输系统示意图

1.2 干扰模型

根据NOMA上行传输的原理,多个UE共用同一个资源块,因此用户之间会相互干扰。在使用SIC消除用户间干扰时,BS需要首先根据接收信号的强弱确定干扰消除的顺序。考虑到信道路径损耗对接收信号强度带来的影响远大于信道小尺度衰落带来的影响,因此本文考虑根据UE到BS的距离的远近作为判断接收信号强弱的依据[14]。值得指出的是,此方案忽略了小尺度衰落带来的影响,能够大大减少用于信道估计的信令开销,更加贴近实际上行NOMA传输系统。在此方案下,假设N个UE距BS从近到远为u1,u2,…,uN,其到BS的距离分别为d1,d2,…,dN。在解码uk(1≤k≤N)发送的信息时,BS会先消除u1,…,uk-1的信息,然后将uk+1,…,uN的信息看作干扰。因此,对于uk,其受到的用户间干扰可表示为

(1)

式中:PU表示UE的信号发送功率。

同时,假设在用户调度过程中,使用相同资源块的N个UE间距离差距足够大,使得BS能够成功进行SIC。需要指出的是,出于模型复杂度的考虑,完美SIC假设被广泛应用于NOMA系统的分析中,如文献[15-16]。

1.3 安全传输策略

为了保障UE私密信息传输的安全性,假设BS能够工作在全双工模式,在接收UE信息的同时发送随机噪声干扰潜在的窃听者。由于信道中NOMA带来的小区内干扰和基站全双工模型带来的自干扰强度远大于热噪声,因此可认为此系统为干扰受限系统,即可以忽略系统中热噪声带来的影响。此时,对于uk∈φu,其信干比γk可表示为

(2)

式中:Pn表示BS发送干扰噪声的功率;η表示全双工状态下自干扰消除能力。对于窃听者Eve∈φE,假设其有足够强的多用户信号检测能力,即E能够将使用同一正交资源块中不同用户的信号分离开。因此,其信干比γE可表示为

(3)

式中:dE,uk表示Eve与uk之间的距离;dBE表示BS与Eve之间的距离。此处,通过过高估计窃听者的多用户检测能力,对私密信号传输可能面临的最严峻的场景进行研究,因此所求出的安全性能可看作系统安全性能的下界。

考虑到UE有限的计算能力,本文采用固定速率Wyner安全编码方案[17]。在该方案中,码字传输速率为RC,私密信息传输速率为RS(RS

2 性能分析

2.1 覆盖概率

首先,使用覆盖概率对系统可靠性进行衡量。覆盖概率定义为BS能够成功解码UE信息的概率。用P(·)表示事件发生的概率,数学上,uk的覆盖概率可表示为

pk=P(lb(1+γk)>RB)

(4)

引理1对于uk,其覆盖概率可由下式表示

(5)

式中

(6)

(7)

证明将式(2)代入式(4),覆盖概率可进一步表示为

(8)

式中:Ex{·}表示关于x的期望;(a)表示hukb满足均值为1的负指数分布;fdk(r)表示uk到b距离的概率密度函数。根据BPP的性质,可以获得fdk(r)的闭式表达式。具体来说,对于一个圆内随机分布的N个节点,到圆心第k远的点,其到圆心距离的概率密度函数服从beta分布,具体表达式如式(7)所示[13]。

在给定dk=r的情况下,NOMA传输中用户间干扰的拉普拉斯变换LIk进一步可表示为

(9)

式中:(a)表示不同信道小尺度衰落相互独立且服从均值为1的负指数分布;(b)表示在dk=r的条件下di(k

结论1由上述分析可得,随着噪声功率的增加,覆盖概率会减小。这是因为噪声在干扰Eve的同时,也会通过自干扰对BS自身带来干扰,同时UE距离BS的远近次序会对覆盖概率带来复杂的影响。具体来说,当UE距离BS越近时,其受到的路径损耗越小,但SIC后受到的用户间干扰也越大。

2.2 安全中断概率

对于系统的安全性能,使用安全中断概率对其进行刻画。此时,考虑威胁性最大的窃听者。该窃听者不一定距离uk最近,而是到uk的信道增益最大。当该窃听者到uk的信道容量大于冗余编码速率时,则称系统发生了安全中断。令β=2RC-RS-1,数学上,安全中断概率可以表示为

(10)

引理2:对于uk,其安全中断概率可由下式表示

(11)

其中

(12)

证明根据随机几何理论,pso,k可进一步表示为

(13)

式中(a)表示由PPP的概率生成函数(PGFL)与Jensen不等式求得[18]。与证明1的求解步骤一致,式(12)中的C可进一步表示为

(14)

结论2由上述分析可得,由于噪声对Eves的干扰,随着噪声功率的增加,安全中断概率逐渐减小。同时,UE距离BS的远近次序越小,安全中断概率也越大。这是因为当UE距BS越近时,BS噪声对其周围Eve的影响就越大,因此该UE通信的安全性就越强。

在结论1和结论2的基础上,采用安全吞吐量ζk综合衡量uk信息传输的可靠性与安全性。安全吞吐量ζk表示uk可靠且安全发送信息的平均安全速率,其数学表达式为[20]

ζk=RSpk(1-pso,k)

(15)

结论3由结论1和结论2可得,噪声功率给系统可靠性和安全性带来相反的影响,因此噪声功率的选取需要考虑系统可靠性和安全性的折中。通过选取最优的噪声功率,使安全吞吐量达到最大,能够有效改善系统的可靠性和安全性,达到可靠性和安全性折中。

3 数值仿真

本章中,使用蒙特卡罗仿真对理论分析结果进行验证,为实际NOMA上行传输系统的部署和后续维护提供理论指导。系统仿真参数预设如下:码字传输速率RC=1 b/(s·Hz),私密信息传输速率RS=0.5 b/(s·Hz),BS半径R=300 m,共用同一资源块用户数N=5,路径损耗系数α=4,窃听者密度λE=10-5m-2,自干扰消除系数η=-100 dB,噪声发射功率Pn=20 dBm,上行用户发射功率PU=20 dBm。同时,在[0,1 000] m×[0,1 000] m内对PPP模型进行仿真。

首先,分析了UE到BS距离的远近次序对覆盖概率与安全中断概率的影响。由图2可得,覆盖概率的仿真值与理论值十分接近,由此可证明本文理论推导的正确性。对于安全中断概率,仿真值比理论值略小,这是由于在推导安全中断概率时,使用Jensen不等式得到了其实际值的上界。对于距BS由近到远的UE,一方面,UE到基站的距离增加,路径损耗增加,导致系统的可靠性降低;另一方面,UE在NOMA传输中受到的用户间干扰变小,使得通信的可靠性增强,因此,这些UE的覆盖概率先减小后增大。对于安全中断概率,由于UE到BS越远,BS的噪声对其周围的Eves影响就越小,因此安全中断概率增加。

图2 覆盖概率和安全中断概率示意图

图3 不同用户安全传输速率示意图

图3分析了噪声功率对不同UE安全传输速率的影响。由图3可得,对于距BS最近的3个UE(k=1,2,3),安全传输速率ζk随着噪声功率Pn的增大而增加;对于距BS较远的2个UE(k=4,5),安全传输速率ζk随着噪声功率Pn的增大先增大后减小。其主要原因是:全双工噪声干扰策略以牺牲可靠性为代价提升系统安全性能,因此存在一个最优的Pn使ζk最大。当UE距BS越近,噪声带来的安全增益越大,所以最优的Pn值也越大。同时,即使对于距基站最远的用户设备,在最优的噪声功率下,该方案仍可以使其安全吞吐量提高约41%

4 结 论

针对NOMA上行系统中私密信息的安全传输问题,考虑到上行UE有限的计算能力和功耗,提出一种全双工基站干扰策略提高系统安全性能。首先,为了对NOMA传输系统带来的用户间干扰进行刻画,提出一种基于随机几何的理论分析模型;其次,在该模型的基础上,求出覆盖概率和安全中断概率的表达式,对全双工干扰策略下系统的可靠性和安全性进行分析。理论和仿真结果表明,全双工干扰策略能够有效提高系统的安全性能,同时,UE距离BS越近,其获得的安全增益便越大。需要指出的是,本文基于理想SIC的假设,非理想SIC下NOMA系统物理层安全性能的分析将作为后续工作。