CN107995615B - 异构网noma物理层安全传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种异构网NOMA物理层安全传输方法，实现过程如下：针对运用非正交多址NOMA技术的异构网各个合法用户，通过配置NOMA服务各合法用户的信号功率系数，并根据合法用户位置分布配置零空间人工噪声分配系数，根据配置的信号功率系数和零空间人工噪声分配系数进行异构网NOMA物理层安传输。本发明通过合理配置人工噪声，增强***在窃听信道质量优于合法用户信道质量时对于被动窃听的抵御能力，提升异构网中NOMA无线传输的物理层安全性能，增强NOMA***抵御潜在静默窃听的能力，尤其是在窃听信道质量优于合法用户信道质量的情况下，提升***的物理层安全性能，可用于异构蜂窝网等用户密度较高的移动通信***中的安全传输。

Description

异构网NOMA物理层安全传输方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，特别涉及一种异构网NOMA物理层安全传输方法，可用于异构蜂窝网等用户密度较高的移动通信***中的安全传输。
背景技术
由于用户数量和数据流量的不断增加，移动通信网络发展形成了异构蜂窝网和密集异构蜂窝网等形式，以提升频谱资源与空间资源的重用率。与此同时，为了在频谱资源稀缺的条件下进一步满足飞速增长的移动业务需求，非正交多址(NOMA)技术越来越受到业界的重视。NOMA技术的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除(Successive Interference Cancellation,SIC)实现正确解调。该技术的本质是通过提升接收端的复杂度以换取频谱效率。NOMA技术的子信道传输依然采用正交频分复用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,OFDM)技术，子信道之间正交互不干扰，但一个子信道不再只分配给一个用户，而是由多个用户共享。同一子信道上不同用户之间非正交传输所产生的用户间干扰问题，需要在接收端采用SIC技术进行多用户检测。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同用户的信号功率按照相关的算法进行分配，使得接收端处每个用户的信号功率都不同。通过SIC技术根据不同户用信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区分用户的目的。在异构蜂窝网等用户密度较高的移动通信***中应用NOMA技术，将极大提升频谱资源的利用率。与其他无线通信技术类似，由于无线信道广播性与开放性特点所带来的安全问题是NOMA技术推广和应用过程中的基本问题。传统的安全技术通常采用上层密钥加密的手段来保障信息传输的安全，单纯依赖上层密钥加密技术，难以充分应对未来网络多样化的安全威胁。
近年来兴起的物理层安全技术，将无线通信安全保障体系拓展到物理层，与上层密钥加密技术相补充，能够构筑更加多方位的无线通信安全保障体系。NOMA技术由于采用非正交发送，主动引入干扰信息，存在一定的天然内生物理层安全特点。虽然NOMA技术所具备的天然内生物理层安全特性能够对非法窃听造成一定的困难，却难以充分应对窃听信道质量优于合法用户信道质量时的安全威胁。因此，能够具备在窃听信道质量优于合法用户信道质量的情况下抵御潜在静默窃听能力的NOMA物理层安全传输方法迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种异构网NOMA物理层安全传输方法，提升异构网中NOMA无线传输的物理层安全性能，增强NOMA***抵御潜在静默窃听的能力，尤其是在窃听信道质量优于合法用户信道质量的情况下。
按照本发明所提供的设计方案，一种异构网NOMA物理层安全传输方法，针对运用非正交多址NOMA技术的异构网各个合法用户，通过配置NOMA服务各合法用户的信号功率系数，并根据合法用户位置分布配置零空间人工噪声分配系数，根据配置的信号功率系数和零空间人工噪声分配系数进行异构网NOMA物理层安传输。
上述的，具体包含如下内容：
A)针对异构网发射端中采用NOMA技术同时服务的所有合法用户，测量各合法用户与发射端之间的距离，获取各合法用户的位置分布；
B)依据各合法用户与发射端之间的距离，测量各合法用户与发射端之间的信道质量；
C)根据信道质量对合法用户进行重新排序；
D)根据合法用户的位置分布和信道质量，配置各合法用户信号的分配系数组，该分配系数组至少包含信号功率分配系数和零空间人工噪声分配系数；
E)根据分配系数组进行异构网NOMA安全传输。
上述的，A)中测量各合法用户与发射端之间的距离，通过但不限于GPS测距、北斗测距、基站测距和混合测距方法进行距离测量。
上述的，B)中依据各合法用户与发射端之间的距离，及衰落信道增益和路径损耗指数，获取各合法用户与发射端之间的信道质量。
优选的，B)中各合法用户与发射端之间的信道质量表示为
Figure BDA0001469256920000021
其中，
Figure BDA0001469256920000022
表示第k个合法用户uk与发射端之间的小尺度衰落信道增益，hk表示uk与发射端之间的信道质量，α为路径损耗指数，Lk为合法用户uk与发射端之间的距离。
优选的，C)中根据信道质量对合法用户进行重新排序，使得排序后信道质量满足|h1|2≤|h2|2≤…≤|hK|2，其中，K表示发射端同时服务的所有合法用户总数。
上述的，D)中，依据合法用户获得的数据速率和目标速率及信号传输功率，对各合法用户信号功率分配系数和零空间人工噪声功率分配系数进行配置。
优选的，D)中合法用户获得的数据速率Rk表示为：
Figure BDA0001469256920000031
其中，P表示信号传输功率，ck≥0表示信号功率分配系数，ck的配置满足：c1≥c2≥…≥cK、
Figure BDA0001469256920000032
以及c1+c2+…+cK＝1-η，
Figure BDA0001469256920000033
为零空间人工噪声功率分配系数，
Figure BDA0001469256920000034
表示第k个用户的目标速率，K表示发射端同时服务的所有合法用户总数，Lmax表示发射端同时服务的合法用户中距离发射端最远的用户所对应的距离，D0表示服务端提供的最大服务半径，σ2表示噪声功率。
上述的，E)中根据配置系数组进行NOMA物理层安全传输时，若分配系数组存在不唯一时，取零空间人工噪声功率分配系数最大的一组中的信号功率分配系数作为传输所使用的信号功率分配系数。
本发明的有益效果：
本发明根据合法用户所受的潜在安全威胁程度，通过合理配置人工噪声，增强***在窃听信道质量优于合法用户信道质量时对于被动窃听的抵御能力，提升异构网中NOMA无线传输的物理层安全性能，增强NOMA***抵御潜在静默窃听的能力，尤其是在窃听信道质量优于合法用户信道质量的情况下，提升***的物理层安全性能，可用于异构蜂窝网等用户密度较高的移动通信***中的安全传输，对无线通信网络的安全具有重要的指导意义。
附图说明：
图1为实施例中的异构网NOMA物理层安全传输方法流程图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
针对NOMA技术难以充分应对窃听信道质量优于合法用户信道质量时的安全威胁等情形，本发明实施例提供一种异构网NOMA物理层安全传输方法，针对运用非正交多址NOMA技术的异构网各个合法用户，通过配置NOMA服务各合法用户的信号功率系数，并根据合法用户位置分布配置零空间人工噪声分配系数，根据配置的信号功率系数和零空间人工噪声分配系数进行异构网NOMA物理层安传输。
根据合法用户所受的潜在安全威胁程度为进行人工噪声的合理配置，本发明的另一实施例一种异构网NOMA物理层安全传输方法，参见图1所示，包含如下内容：
S101针对异构网发射端中采用NOMA技术同时服务的所有合法用户，测量各合法用户与发射端之间的距离，获取各合法用户的位置分布；
S102依据各合法用户与发射端之间的距离，测量各合法用户与发射端之间的信道质量；
S103根据信道质量对合法用户进行重新排序；
S104根据合法用户的位置分布和信道质量，配置各合法用户信号的分配系数组，该分配系数组至少包含信号功率分配系数和零空间人工噪声分配系数；
S105根据分配系数组进行异构网NOMA安全传输。
根据合法用户所受的潜在安全威胁程度，通过合理配置人工噪声，增强***在窃听信道质量优于合法用户信道质量时对于被动窃听的抵御能力，提升***的物理层安全性能。
上述中，合法用户可以是但不限于：异构网中的移动终端设备(手机、Pad等)、异构网中的物联网设备(车联网载具、无人机、智能家居设备等)、其它需要接入异构无线网络的设备。发射端可以是但不限于：异构网中的宏基站、异构网中各种类型的小基站、射频拉远头(Remote Radio Head,RRH)、无线网络接入点(Access Point,AP)、通讯卫星和其它形式的无线网络发射端。测量合法用户与发射端之间的距离，其测量方法可以是但不限于：GPS测距、北斗测距、基站测距和多种方式混合测距。
结合合法用户与发射端之间距离的测量，本发明的再一实施例提供一种异构网NOMA物理层安全传输方法，其具体实现过程如下：
步骤1：测量各合法用户与发射端之间的距离，以K表示发射端同时服务的用户总数，以uk表示发射端所服务的用户集合中第k个用户(k∈{1,...,K})，测量合法用户uk与发射端之间的距离Lk。
步骤2：测量各合法用户与发射端之间的信道，以hk表示uk与发射端之间的信道，测量射端所服务的第k个用户与发射端之间的小尺度衰落信道增益
Figure BDA0001469256920000051
则
Figure BDA0001469256920000052
其中α为路径损耗指数。
步骤3：根据信道质量对合法用户进行重新排序，以K表示发射端所服务的用户总数，根据步骤2中所测得的各用户信道质量，对K个用户的编序进行重排，使得编序重排后满足|h1|2≤|h2|2≤…≤|hK|2。
步骤4：根据合法用户的位置分布及信道质量情况，配置各合法用户信号的功率及零空间人工噪声系数。以Lmax表示发射端所服务的用户集合中距离发射端最远的用户所对应的距离，即
Figure BDA0001469256920000053
以D0表示服务端所能够提供的最大服务半径，Rk表示第k个用户能够获得的数据速率，
Figure BDA0001469256920000054
表示第k个用户的目标速率(即期望达到的数据速率)，Rk可表示为
Figure BDA0001469256920000055
其中，P表示传输功率，ck≥0表示功率分配系数，ck的配置满足：c1≥c2≥…≥cK、
Figure BDA0001469256920000056
以及c1+c2+…+cK＝1-η，其中
Figure BDA0001469256920000057
为零空间人工噪声功率分配系数。
步骤5：根据步骤4所得到的配置系数进行NOMA安全传输，当步骤4所得到的配置系数组不唯一时，取η值最大的一组作为传输所使用的功率分配系数。
下面通过具体举例对本发明的实现过程做进一步解释说明：
对于一个α＝3、P＝10W、D0＝100m、σ2＝10-7、包含2个合法用户
Figure BDA0001469256920000058
Figure BDA0001469256920000061
1个窃听者且窃听者信道质量(|he|2＝8.4998×10-6)优于2个合法用户的通信场景，采用本发明的NOMA物理层安全传输方法的具体步骤如下：
S201测量各合法用户与发射端之间的距离，以K表示发射端同时服务的用户数，此时K＝2，以uk表示发射端所服务的用户集合中第k个用户(k∈{1,2})，测量合法用户uk与发射端之间的距离Lk，测得L1＝80m、L2＝50m。
S202分别测量2个合法用户与发射端之间的信道，以hk表示uk与发射端之间的信道，测得|h1|2＝1.9531×10-6、|h2|2＝7.9999×10-6。
S203根据信道质量对合法用户进行重新排序，将对应|hi|2值最小的用户ui重新标记为用户u1，则另一个用户为u2，编序重排后满足|h1|2≤|h2|2，由于|h1|2＝1.9531×10-6<|h2|2＝7.9999×10-6，因而编序重排后仍与之前情况相同。
S204根据合法用户的位置分布及信道质量情况，配置各合法用户信号的功率及零空间人工噪声系数。以Lmax表示发射端所服务的用户集合中距离发射端最远的用户所对应的距离，即Lmax＝80m，以Rk表示第k个用户能够获得的数据速率，R1可表示为
Figure BDA0001469256920000062
R2可表示为
Figure BDA0001469256920000063
，其中，ck的配置满足：c1≥c2、
Figure BDA0001469256920000064
以及c1+c2+…+cK＝1-η，其中
Figure BDA0001469256920000065
为零空间人工噪声功率分配系数。可将η分解为η＝η0+η1，其中
Figure BDA0001469256920000066
η1≥0。可解得c1＝0.7570、c2＝0.0024、η0＝0.24、η1＝6.4×10-4，此时R1＝6.6699bits/s/Hz，R2＝1.5411bits/s/Hz。
而窃听者处接收到用户u1的数据速率Re,1可表示为
Figure BDA0001469256920000071
窃听者处接收到用户u2的数据速率Re,2可表示为
Figure BDA0001469256920000072
此时，用户u1可获得的安全数据速率为RS,1＝R1-Re,1＝4.6344bits/s/Hz，用户u1可获得的安全数据速率为RS,2＝R2-Re,2＝1.527bits/s/Hz。而在该通信场景中，若不采用零空间人工噪声技术，由于窃听者的信道质量优于所有合法用户，根据Wyner定理，此时***的安全容量为0，各用户可获得的安全数据速率均为0。
结合以上的举例说明，可进一步验证本发明的有效性，根据合法用户所受的潜在安全威胁程度，通过合理配置人工噪声，增强***在窃听信道质量优于合法用户信道质量时对于被动窃听的抵御能力，提升异构网中NOMA无线传输的物理层安全性能，增强NOMA***抵御潜在静默窃听的能力，尤其是在窃听信道质量优于合法用户信道质量的情况下。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种异构网NOMA物理层安全传输方法，其特征在于，针对运用非正交多址NOMA技术的异构网各个合法用户，通过配置NOMA服务各合法用户的信号功率系数，并根据合法用户位置分布配置零空间人工噪声分配系数，根据配置的信号功率系数和零空间人工噪声分配系数进行异构网NOMA物理层安全传输；具体包含如下内容：
A)针对异构网发射端中采用NOMA技术同时服务的所有合法用户，测量各合法用户与发射端之间的距离，获取各合法用户的位置分布；
B)依据各合法用户与发射端之间的距离，测量各合法用户与发射端之间的信道质量；
C)根据信道质量对合法用户进行重新排序；
D)根据合法用户的位置分布和信道质量，配置各合法用户信号的分配系数组，该分配系数组至少包含信号功率分配系数和零空间人工噪声分配系数；
E)根据分配系数组进行异构网NOMA安全传输；
D)中，依据合法用户获得的数据速率和目标速率及信号传输功率，对各合法用户信号功率分配系数和零空间人工噪声功率分配系数进行配置；
合法用户获得的数据速率Rk表示为：
Figure FDA0002479928920000011
其中，P表示信号传输功率，ck≥0表示信号功率分配系数，ck的配置满足：c1≥c2≥…≥cK、
Figure FDA0002479928920000012
以及c1+c2+…+cK＝1-η，
Figure FDA0002479928920000013
为零空间人工噪声功率分配系数，
Figure FDA0002479928920000014
表示第k个用户的目标速率，K表示发射端同时服务的所有合法用户总数，Lmax表示发射端同时服务的合法用户中距离发射端最远的用户所对应的距离，D0表示服务端提供的最大服务半径，σ2表示噪声功率，hk表示第k个合法用户uk与发射端之间的信道质量。
2.根据权利要求1所述的异构网NOMA物理层安全传输方法，其特征在于，A)中测量各合法用户与发射端之间的距离，通过但不限于GPS测距、北斗测距、基站测距和混合测距方法进行距离测量。
3.根据权利要求1所述的异构网NOMA物理层安全传输方法，其特征在于，B)中依据各合法用户与发射端之间的距离，及衰落信道增益和路径损耗指数，获取各合法用户与发射端之间的信道质量。
4.根据权利要求3所述的异构网NOMA物理层安全传输方法，其特征在于，B)中各合法用户与发射端之间的信道质量表示为
Figure FDA0002479928920000021
其中，
Figure FDA0002479928920000022
表示第k个合法用户uk与发射端之间的小尺度衰落信道增益，hk表示uk与发射端之间的信道质量，α为路径损耗指数，Lk为合法用户uk与发射端之间的距离。
5.根据权利要求4所述的异构网NOMA物理层安全传输方法，其特征在于，C)中根据信道质量对合法用户进行重新排序，使得排序后信道质量满足|h1|2≤|h2|2≤…≤|hK|2，其中，K表示发射端同时服务的所有合法用户总数。
6.根据权利要求1所述的异构网NOMA物理层安全传输方法，其特征在于，E)中根据配置系数组进行NOMA物理层安全传输时，若分配系数组存在不唯一时，取零空间人工噪声功率分配系数最大的一组中的信号功率分配系数作为传输所使用的信号功率分配系数。
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