楊震，朱夢瑤，馮友宏

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇 南京 210003；3.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241199）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT,Internet of things）需求的大幅增長給無線通信帶來了巨大的挑戰(zhàn)，預(yù)計接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有數(shù)量[1]。因此，提高頻譜利用率是5G 及未來移動通信技術(shù)關(guān)注的主要課題之一，非正交多址接入（NOMA,non-orthogonal multiple access）技術(shù)因能夠通過分配相同的時間和頻率資源來同時服務(wù)于多個用戶，提高頻譜利用率，代替正交多址接入（OMA,orthogonal multiple access）技術(shù)成為了5G 移動通信系統(tǒng)的重要組成部分[1-3]。為了解決因源端和目的端之間距離過遠(yuǎn)而造成通信性能下降的問題，許多文獻(xiàn)提出了NOMA中繼協(xié)作技術(shù)。在中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中，源端通過中繼的輔助將信息發(fā)送到目的端，這進(jìn)一步改善了系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[4]提出了一種節(jié)省帶寬的連續(xù)用戶中繼方案來提高頻譜效率。文獻(xiàn)[5]研究了一種基于NOMA 的雙向協(xié)作中繼傳輸系統(tǒng)，通過聯(lián)合優(yōu)化時間和功率分配降低了系統(tǒng)的中斷概率。文獻(xiàn)[6]研究了不同中繼選擇方案對系統(tǒng)性能的影響，證明了基于兩階段的中繼選擇方案相比傳統(tǒng)的最大?最小中繼選擇方案有更好的效果。

認(rèn)知無線電（CR,cognitive radio）技術(shù)是另一種解決頻譜稀缺問題的方法。與NOMA 主要增強用戶連通性不同，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可以感知頻譜空穴并靈活地訪問主網(wǎng)絡(luò)頻譜以實現(xiàn)頻譜共享，解決頻譜利用率不足的問題，因此，將CR 與NOMA 這2 種通過不同的方式提高頻譜效率的技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于未來移動通信是近年來研究的一個熱點課題[7]。文獻(xiàn)[8]研究了下墊式認(rèn)知無線電（UCR,underlay cognitive radio）的信道狀態(tài)信息不完全的 CRNOMA 系統(tǒng)的中斷性能。在下墊式（underlay）網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)在發(fā)射功率對主用戶的干擾可控時，主用戶允許其接入授權(quán)頻譜傳輸信息從而提高頻譜利用率。文獻(xiàn)[9]提出了協(xié)作認(rèn)知中繼多載波非正交多址系統(tǒng)的資源分配算法，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)輔助主網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸從而提高主網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[10]研究了一種具有全雙工（FD,full duplex）多天線中繼輔助通信的CR-NOMA 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可在滿足遠(yuǎn)端用戶速率要求的前提下，最大化近端用戶速率。

然而，由于無線傳輸?shù)膹V播特性，無線通信很容易被竊聽。因此，通信系統(tǒng)在設(shè)計時，安全性是一個不得不考慮的問題。傳統(tǒng)方案中使用加密算法進(jìn)行信息傳輸，但由于加密和解密的復(fù)雜性，近年來基于信息論的物理層安全（PLS,physical layer security）技術(shù)逐漸進(jìn)入大眾視野[11]。文獻(xiàn)[12]研究了能量收集模式下存在竊聽用戶的合法單用戶的物理層安全問題。文獻(xiàn)[13]研究了多中繼協(xié)作NOMA 網(wǎng)絡(luò)在Nakagami-m衰落信道下的安全中斷性能，分析了不同的最優(yōu)中繼選擇方案的中斷概率并進(jìn)行比較。文獻(xiàn)[14]研究了分別采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF,decode-and-forward）和放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF,amplify-and-forward）時系統(tǒng)的安全容量和安全中斷概率。文獻(xiàn)[15]在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上研究了一個更實用的非線性能量收集模型，該模型基于同步的無線信息和功率傳輸，在安全和速率及能量收集約束條件下，通過人工輔助噪聲波束成形設(shè)計，從而提高安全傳輸性能。文獻(xiàn)[16]研究了主次用戶協(xié)作工作的認(rèn)知NOMA 網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)次用戶竊聽主用戶信息時，利用主用戶信道增益配對或減少次用戶數(shù)量來提高主用戶的性能。

文獻(xiàn)[7,9]將NOMA 與填充式認(rèn)知無線電（OCR,overlay cognitive radio）結(jié)合，但僅僅考慮頻譜資源高效利用而沒有考慮安全性問題。與文獻(xiàn)[7,9]不同的是，本文方案同時考慮了頻譜資源的高效利用和安全性。文獻(xiàn)[16]主要研究次用戶竊聽主用戶信息時主用戶的安全問題，與文獻(xiàn)[16]不同的是，本文方案主要在外部竊聽者存在時綜合考慮了主次網(wǎng)絡(luò)的安全性能。值得注意的是，與文獻(xiàn)[7,9,16]的協(xié)作策略中次網(wǎng)絡(luò)需要解碼主網(wǎng)絡(luò)的信息不同的是，本文的協(xié)作策略中，主次網(wǎng)絡(luò)不需要獲取對方的信息和編碼方式用于解碼對方網(wǎng)絡(luò)的信息，這種策略更符合實際場景，同時避免了主次網(wǎng)絡(luò)間相互干擾，降低了竊聽風(fēng)險。在本文的協(xié)作策略中，認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)基于填充式（overlay）網(wǎng)絡(luò)，通過感知主用戶是否占用頻譜實現(xiàn)輔助主網(wǎng)絡(luò)通信和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)通信的動態(tài)切換，并在主次網(wǎng)絡(luò)中分別使用人工噪聲（AN,artificial noise）技術(shù)進(jìn)一步提高安全傳輸性能。仿真結(jié)果表明，本文提出的認(rèn)知協(xié)作NOMA方案相比于傳統(tǒng)的非主次網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的策略，系統(tǒng)的安全中斷性能有顯著的提高，有效地提升了頻譜利用率。

2 系統(tǒng)模型

考慮如圖1 所示的認(rèn)知協(xié)作NOMA 系統(tǒng)模型，該模型由主網(wǎng)絡(luò)（PN,primary network）和次網(wǎng)絡(luò)（SN,secondary network）組成。PN 由主發(fā)射機（PT,primary transmitter）和主用戶（PU,primary user）構(gòu)成；SN 由次發(fā)射機（ST,secondary transmitter）和次用戶（SU1,SU2）構(gòu)成。竊聽用戶（E,eavesdropper）試圖截獲主用戶和次用戶的信號。為了增強系統(tǒng)安全性能，PN 通過ST 的輔助來轉(zhuǎn)發(fā)信息。

圖1 認(rèn)知協(xié)作NOMA 系統(tǒng)模型

SN 有2 種工作模式：1)當(dāng)SN 感知到PU 占用頻譜時，ST 便作為PN 的中繼，接收來自PT 的信息并放大轉(zhuǎn)發(fā)給PU,從而提高PN 的性能；2)當(dāng)SN感知到頻譜空穴時，ST 發(fā)送次用戶所需的信號。在2 個網(wǎng)絡(luò)中都采取了AN 技術(shù)來提高安全性能。鏈路 PT—PU、PT—ST、ST—PU、ST—SU1、ST—SU2、PT—E、ST—E 的信道增益表示為hi，i∈{PU,PS,SU,SU1,SU2,PE,SE}。假設(shè)所有的信道增益均服從均值為0、方差為的瑞利分布hi～，且相互獨立。

1) SN 工作在第一種模式

在第一個時隙中，PT 將PU 所需要的信息和人工噪聲混合疊加發(fā)送給PU。SN 檢測到頻譜被占用后，將ST 用于輔助PT 轉(zhuǎn)發(fā)信息，即作為PN 的中繼。PT 處的發(fā)送信號為，其中，x1和x2分別表示要發(fā)送給PU 的機密信息和用來抵御竊聽的干擾信息，該干擾信息是一個預(yù)設(shè)的偽隨機信號并且提前存儲在PU處用于干擾抵消[11]；PP表示PT 處的總發(fā)送功率；a1和a2分別表示x1和x2的功率分配系數(shù)，a1+a2=1。這一信號同時被竊聽用戶竊聽，此時PU、ST 和E 接收到的信號分別表示為

2) SN 工作在第二種模式

當(dāng)PU 不工作時，SN 檢測到頻譜空穴，那么ST 利用下行NOMA 信道向次用戶發(fā)送信息。為了防止竊聽，本文的協(xié)作策略在ST 也采用AN 技術(shù)。這種模式下，ST 向次用戶發(fā)送的信息為，其中，xS1和xS2分別表示SU1和SU2所需的信息；xa表示干擾噪聲，該干擾噪聲是一個提前存儲在次用戶處的預(yù)設(shè)偽隨機信號；b1、b2和b3表示功率分配系數(shù)。一般假設(shè)用戶的信道增益按升序排序，即[1-3]。因此，根據(jù)NOMA 功率復(fù)用原理，SU1應(yīng)該分配更多的發(fā)送功率，即b1>b2。SU1和SU2收到混合信號后，首先去除AN，再利用串行干擾消除（SIC,successive interference cancellation）技術(shù)進(jìn)行解碼，解碼過程如下。

SU1解碼xS1。由于b1>b2，信號xS2在SU1處被當(dāng)作噪聲，SU1直接對xS1進(jìn)行解碼。此時SU1端解碼xS1的SINR 為

SU2解碼xS2。首先將自身信號當(dāng)作噪聲先把xS1解碼出來并去除，再解碼自身信號。此時SU2解碼xS2的SINR 為

此時SN 中，E 竊聽xS1、xS2的SINR 分別為

3 性能分析

本節(jié)通過分別推導(dǎo)主網(wǎng)絡(luò)和次網(wǎng)絡(luò)的安全中斷概率及安全吞吐量來分析本文的協(xié)作策略的中斷性能。

3.1 PN 的安全中斷概率

PN 中斷定義為第一個時隙PU 端未成功解碼x1且第二個時隙PU 端也未能成功解碼x1。首先根據(jù)信噪比得到PN 在2 個時隙的安全容量和分別為

由于式(23)的復(fù)雜性，無法得到其閉合表達(dá)式，根據(jù)Gaussian-Chebyshev 求積公式[17]，得到式(23)的近似表達(dá)式，如式(17)所示。

證畢。

定理2Ω2的表達(dá)式為

3.2 SN 的安全中斷概率

系統(tǒng)吞吐量的定義為傳輸速率和成功通信概率的乘積。在本文中，PN 和SN 的安全吞吐量分別為

4 仿真結(jié)果及分析

本節(jié)使用MATLAB 對本文的協(xié)作策略下系統(tǒng)的安全性能進(jìn)行Monte Carlo 仿真。從主次網(wǎng)絡(luò)的安全中斷概率和安全吞吐量2 個方面分別分析本文策略下通信系統(tǒng)的性能，并與文獻(xiàn)[12]中的策略進(jìn)行比較。如非特殊說明，a1=0.7，a2=0.3；b1=4b2；L=10，RPU=1bit ? (s ?Hz)?1，RS=0.5 bit ? (s ?Hz)?1；方差為1，i∈{PU,PS,SU,SU1,SU2,PE,S E}。

圖2(a)是當(dāng)ST 發(fā)射信噪比ρS=20 dB 時，PN的安全中斷概率隨PT 發(fā)射信噪比變化的曲線。從圖2(a)中可以看出，理論結(jié)果與仿真結(jié)果一致，驗證了理論推導(dǎo)的正確性。隨著SNR 的提高，安全中斷概率不斷減小。將本文的協(xié)作策略與非協(xié)作策略相比，本文策略可以有效改善PN 系統(tǒng)的安全中斷性能。這是因為在本文的協(xié)作策略中，ST 作為中繼輔助PN 的信息傳輸，使PU 端可以實現(xiàn)分集接收。圖2(b)是當(dāng)PT 發(fā)射信噪比ρP=20 dB 時，PN的安全中斷概率隨ST 發(fā)射信噪比變化的曲線。從圖2(b)中可以看出，隨著ρS增加，本文協(xié)作策略中PN 的安全中斷概率有小幅下降，而非協(xié)作策略無變化。這是因為本文策略中，ST 作為中繼輔助轉(zhuǎn)發(fā)信息時，ρS提高雖然有益于降低中斷概率，但ρP是主要影響因素，所以提高ρS對PN 中斷性能的改善幅度較小，PN 的中斷概率最終會達(dá)到下限；而在對比策略中，因為沒有協(xié)作時隙，所以當(dāng)ρP=20 dB時，安全中斷概率恒定，且大于本文策略中的安全中斷概率。由圖2 可以看出，隨著PT 和ST 發(fā)射信噪比增加，本文策略中的主網(wǎng)絡(luò)安全中斷性能都能得到提升，并且優(yōu)于對比策略。

圖2 PN 安全中斷概率變化情況

圖3(a)是當(dāng)ST 傳輸信噪比ρS=20 dB時，SN的安全中斷概率隨PT 發(fā)射信噪比變化的曲線。從圖3(a)可以看出，本文協(xié)作策略和非協(xié)作策略安全中斷概率均保持不變，因為SN 的中斷性能只與ST的發(fā)射信噪比有關(guān)而與PT 的發(fā)射信噪比無關(guān)。圖3(b)是當(dāng)PT 傳輸信噪比ρP=20 dB時，系統(tǒng)安全中斷概率隨ST 發(fā)射信噪比變化的曲線。首先，從圖3 中可以看出，理論結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，驗證了理論推導(dǎo)的正確性。其次，隨著SNR 的提高，SN 的安全中斷概率不斷減小。由于ST 到SU2端信道條件優(yōu)于ST 到SU1端信道條件，因此相同參數(shù)條件下，SU2端的安全中斷概率小于SU1的安全中斷概率。此外，從圖3 還可以觀察到，非協(xié)作策略的SN 安全中斷概率一直為1，實際上，非協(xié)作策略中沒有應(yīng)用CR 技術(shù)，所以不存在次網(wǎng)絡(luò)；而本文策略采用動態(tài)切換模式，在主網(wǎng)絡(luò)頻譜未被占用時進(jìn)行認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)即次網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)了頻譜復(fù)用，顯著提高了頻譜利用率。

圖3 SN 安全中斷概率變化情況

圖4 和圖5 分別是PN 和SN 的安全中斷概率隨干擾噪聲功率分配因子a2和b3變化的情況。仿真中設(shè)置ρP=ρS=20 dB 。從圖4 和圖5 中可以觀察到，在一定范圍內(nèi)提高a2和b3，PN 和SN 的安全中斷概率均會降低，表明了本文的協(xié)作策略中的人工噪聲方案在綜合改善PN 和SN 系統(tǒng)安全性能方面的有效性；超過某一閾值后，安全中斷概率開始增大，這是因為雖然提高干擾噪聲的發(fā)射功率有益于抵御竊聽用戶攻擊，但當(dāng)過多的功率分配給干擾噪聲時，分配給合法用戶的功率隨之減小，影響了合法用戶的正常通信，中斷性能隨之降低。這說明調(diào)整功率分配參數(shù)可獲得最優(yōu)的安全中斷性能。仿真結(jié)果給出了當(dāng)預(yù)設(shè)速率分別為0.4、0.6、0.8 時，PN 和SN 的安全中斷概率隨a2和b3分別變化的情況。從仿真結(jié)果可以看出，隨著預(yù)設(shè)速率的增加，PN 和SN 的安全中斷概率均上升，這說明了傳輸速率的提高需要以降低中斷性能為代價。

圖4 PN 安全中斷概率隨a2 變化的情況

圖5 SN 安全中斷概率隨b3 變化的情況

當(dāng)ST 傳輸信噪比ρS=20 dB時，PN 和SN 的安全吞吐量隨PT 發(fā)射信噪比變化的曲線如圖6(a)所示。從圖6(a)中可以觀察到，本文策略中主網(wǎng)絡(luò)和次網(wǎng)絡(luò)的安全吞吐量均高于對比策略，隨著ρP的增加，主網(wǎng)絡(luò)的吞吐量不斷增加，次網(wǎng)絡(luò)的吞吐量不變，與圖2 和圖3 的結(jié)果相呼應(yīng)，進(jìn)一步驗證了本文策略的有效性。當(dāng)PT 傳輸信噪比ρP=20 dB時，PN 和SN 的安全吞吐量隨ST 發(fā)射信噪比變化的曲線如圖6(b)所示。從圖6(b)可以看出，本文協(xié)作策略中主網(wǎng)絡(luò)和次網(wǎng)絡(luò)的吞吐量均高于對比策略，說明了本文策略對系統(tǒng)安全性能的提升。隨著ρS的增加，本文策略中PN 的安全吞吐量小幅增加，SN 的安全吞吐量則有大幅上漲，這是因為改變ST的發(fā)射信噪比對SN 的影響較大。此外，從圖6(a)和圖6(b)中均可以看出，本文策略中采用CR 技術(shù)，使認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可以接入主網(wǎng)絡(luò)頻譜進(jìn)行通信，有效地改善了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使頻譜得到高效利用。

圖6 安全吞吐量變化情況

5 結(jié)束語

本文研究了認(rèn)知協(xié)作NOMA 網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全問題；在提出的協(xié)作策略中，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)通過感知主網(wǎng)絡(luò)頻譜空穴進(jìn)行輔助主用戶信息傳輸和認(rèn)知用戶信息傳輸?shù)膭討B(tài)切換，并與NOMA 結(jié)合，實現(xiàn)了頻譜復(fù)用。在主次網(wǎng)絡(luò)中分別采用AN 技術(shù)，進(jìn)一步提高了主次網(wǎng)絡(luò)的安全性能。對主次網(wǎng)絡(luò)的安全中斷概率和安全吞吐量分別進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明，本文方案的系統(tǒng)安全性能有顯著的提升，并且能有效地提高頻譜利用率。