CN111988783B - 一种上行非正交多址的安全传输方法及*** - Google Patents

一种上行非正交多址的安全传输方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种上行非正交多址的安全传输方法及***。本发明考虑上行NOMA链路存在窃听者的情况，通过选择网络中一个友好的能量采集***发送人工噪声，来恶化窃听者的接收质量，进而保证NOMA用户到基站的安全通信。根据网络获取到的信道状态信息情况，相对应提供了三种能量采集***选择策略，分别是随机能量采集***选择(REJS)、最大能量采集***选择(MEJS)、最优能量采集***选择(OEJS)策略。相对于传统无能量采集***辅助的上行NOMA传输方法，本发明能够显著地提高NOMA***的物理层安全性能。

Description

一种上行非正交多址的安全传输方法及***
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种上行非正交多址的安全传输方法及***。
背景技术
为了在频谱资源日益稀缺的条件下满足飞速增长的移动通信业务需求，非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)技术越来越受到业界的重视。NOMA技术通过在相同的频率时间资源上承载不同用户的信息实现高频谱效率传输，被认为是5G和后5G时代十分具有应用前景的多址接入方式。其中，功率域NOMA技术由于较低的实现复杂度和高兼容性特点，受到了广泛的关注。功率域NOMA(以下简称NOMA)的基本思想是在发送端利用叠加编码给不同用户信号分配不同大小的功率，同时在接收端采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术消除用户间干扰并检测出多用户信息。
另一方面，近年来兴起的物理层安全(Physical Layer Security)技术从物理层的角度出发来保障无线通信的信息安全，是对上层加密技术的补充甚至替代。虽然NOMA技术能够提高频谱的利用率，但当存在恶意窃听者的情况下，NOMA却无法保证信息传输的安全。为了保证NOMA的安全通信，文献“Enhancing the physical layer security of NOMAin large-scale networks”、“Secure MISO-NOMA transmission with artificialnoise”、“Beamforming design and power allocation for secure transmission withNOMA”利用物理层安全技术来提高下行NOMA传输的安全性能。具体来说，具有多天线的基站通过波束赋型技术同时传输有用信号和人工噪声信号，设计的人工噪声信号仅降低恶意窃听者的接收质量，从而使得下行NOMA用户的安全容量提高。
然而，对于上行NOMA传输来说，实际网络节点的物理尺寸和能量限制使得它们很难部署多天线，因此基于波束赋型的下行NOMA传输方案不能被应用于实际单天线节点的上行NOMA传输中。基于此，物理层安全技术中的协作干扰可以被考虑作为一个更加合适的技术应用于上行NOMA传输中。考虑到实际协作节点的能量受限特性以及外部协作节点的最优选择问题，直接应用协作干扰技术会存在一定的困难。因此，发明能够应用于实际***的上行NOMA物理层安全传输方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种上行非正交多址的安全传输方法及***，用以解决现有技术中的上行NOMA传输中的安全性等问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种上行非正交多址的安全传输方法，用于在存在恶意窃听者的情况下，选择合适的友好***并对恶意窃听者进行干扰，实现用户对基站的上行NOMA安全传输，所述选择合适的友好***并对恶意窃听者进行干扰包括如下步骤：
步骤1：获取基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息，并根据获取到的结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***；
其中，若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好***；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大的能量采集节点作为友好***；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***；
步骤2：步骤1选择出的友好***向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列根据基站与友好***之间的信道信息产生；
步骤3：基站检测到人工噪声伪随机序列并移除，恶意窃听者接收到人工噪声伪随机序列，受到干扰。
进一步的，随机选择出的友好***表示为式Ⅰ：
Figure BDA0002617092640000031
其中，Rr表示随机选择出的友好***，Rj表示第j个能量采集节点，rand{·}表示每个能量采集节点以等概率被选为***，Δ＝{1,2,...,N}，N表示能量采集节点的总数；
发射功率最大的能量采集节点作为友好***表示为式Ⅱ：
Figure BDA0002617092640000032
其中，Rv表示根据发射功率最大选择出的友好***，
Figure BDA0002617092640000033
表示能量采集节点Rj作为***时发射人工噪声的功率且
Figure BDA0002617092640000034
Ej表示能量采集节点Rj采集到的无线射频能量且
Figure BDA0002617092640000035
α表示在一个时间帧长T内能量传输和信息传输两个阶段的时间分配比且α∈(0，1)，η表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率，
Figure BDA0002617092640000036
表示基站与Rj之间的信道系数；
能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***表示为式Ⅲ：
Figure BDA0002617092640000037
其中，Ro表示根据能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比选择出的友好***，γe表示恶意窃听者接收信号的信噪比。
一种上行非正交多址的安全传输***，所述***包括基站、用户、多个能量采集节点和恶意窃听者，所述用户在信息传输阶段执行上行NOMA传输信息到基站，恶意窃听者在信息传输阶段企图截获用户传输的信息，所述基站包括主控模块，所述主控模块用于获取基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息，并根据获取到的信道状态信息结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***；
所述主控模块根据获取到的信道状态信息结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***是指：若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好***；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大的能量采集节点作为友好***；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***；
所述友好***用于向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列依据基站与友好***之间的信道信息产生。
进一步的，随机选择出的友好***表示为式Ⅰ：
Figure BDA0002617092640000041
其中，Rr表示随机选择出的友好***，Rj表示第j个能量采集节点，rand{·}表示每个能量采集节点以等概率被选为***，Δ＝{1,2,...,N}，N表示能量采集节点的总数；
发射功率最大的能量采集节点作为友好***表示为式Ⅱ：
Figure BDA0002617092640000051
其中，Rv表示根据发射功率最大选择出的友好***，
Figure BDA0002617092640000052
表示能量采集节点Rj作为***时发射人工噪声的功率且
Figure BDA0002617092640000053
Ej表示能量采集节点Rj采集到的无线射频能量且
Figure BDA0002617092640000054
α表示在一个时间帧长T内能量传输和信息传输两个阶段的时间分配比且α∈(0，1)，η表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率，
Figure BDA0002617092640000055
表示基站与Rj之间的信道系数；
能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***表示为式Ⅲ：
Figure BDA0002617092640000056
其中，Ro表示根据能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比选择出的友好***，γe表示恶意窃听者接收信号的信噪比。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
(1)本发明与现有的上行非正交多址传输机制相比，显著地提高了上行NOMA***的物理层安全性能。
(2)由于网络中节点的功率限制或自私性，干扰节点不愿意消耗自己的能量来发射人工噪声提高***的安全性能。本发明利用能量采集技术来补偿干扰节点发射人工噪声所需的能量，相比现有技术，本发明能够更好的应用于实际网络中。
附图说明
图1是本发明所提出的基于能量采集***选择的上行NOMA安全传输的模型图；
图2是在瑞利信道条件下，本发明所提出的安全传输方法与现有无能量采集***辅助的上行NOMA传输方法关于安全中断概率的比较图；
图3是在瑞利信道条件下，本发明所提出的安全传输方法与现有无能量采集***辅助的上行NOMA传输方法关于强用户的安全吞吐量比较图；
图4是在瑞利信道条件下，本发明所提出的安全传输方法与现有无能量采集***辅助的上行NOMA传输方法关于弱用户的安全吞吐量比较图。
具体实施方式
在本实施例中公开了一种上行非正交多址的安全传输方法，用于在存在恶意窃听者的情况下，选择合适的友好***并对恶意窃听者进行干扰，实现用户对基站的上行NOMA安全传输，对于每个时间帧，通信被分为能量传输阶段和信息传输阶段。在能量传输阶段，基站向多个能量采集节点传输无线射频能量，能量采集节点进行能量采集；在信息传输阶段，用户执行上行NOMA传输信息到基站，同时，能量采集节点中的一个利用在能量传输阶段采集到的能量来发射人工噪声信号，干扰恶意窃听者；所述选择合适的友好***并对恶意窃听者进行干扰包括如下步骤：
步骤1：利用信道估计技术对基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息进行获取，并根据获取到的结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***；
其中，若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好***；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大(也就是能够从能量传输阶段采集到最多能量)的能量采集节点作为友好***；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***；
步骤2：步骤1选择出的友好***向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列根据基站与友好***之间的信道信息产生；
步骤3：基站接收用户传输的信息，检测并移除人工噪声伪随机序列；由于该人工噪声能够匹配基站与能量采集***之间的信道，从而能够被基站检测出并移除，使得基站的接收质量不受影响；
恶意窃听者接收到人工噪声伪随机序列受到干扰，窃听者的信号窃听质量被恶化，无法截获用户传输的信息。
具体的，随机能量采集***选择(Random Energy Harvesting JammerSelection,REJS)策略是随机地选择一个能量采集节点作为友好***，此时的友好***Rr可以表示为式Ⅰ：
Figure BDA0002617092640000071
其中，rand{·}表示每个能量采集节点以等概率被选为***，Δ＝{1,2,...,N}，N表示能量采集节点的总数；
最大能量采集***选择(Maximal Energy Harvesting Jammer Selection,MEJS)策略是选择能够发射最大功率人工噪声(也就是能够从能量传输阶段采集到最多能量)的能量采集节点作为友好***，此时的友好***Rv可以表示为式Ⅱ：
Figure BDA0002617092640000072
其中
Figure BDA0002617092640000073
表示能量采集节点Rj作为***时发射人工噪声的功率且
Figure BDA0002617092640000074
Ej表示能量采集节点Rj采集到的无线射频能量且
Figure BDA0002617092640000075
α表示在一个时间帧长T内能量传输和信息传输两个阶段的时间分配比且α∈(0，1)，η∈(0,1]表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率且Pb>0，
Figure BDA0002617092640000081
表示表示基站与Rj之间的信道系数，本方案中所述信道系数的值为复数；
MEJS策略的执行需要信道状态信息
Figure BDA0002617092640000082
的协助，因此Rv还可以表示为：
Figure BDA0002617092640000083
最优能量采集***选择(Optimal Energy Harvesting Jammer Selection,OEJS)策略是选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***，此时的友好***Ro可以表示式Ⅲ：
Figure BDA0002617092640000084
其中，γe表示恶意窃听者接收信号的信噪比；
OEJS策略的执行需要信道状态信息
Figure BDA0002617092640000085
和
Figure BDA0002617092640000086
的协助，因此Ro还可以表示为：
Figure BDA0002617092640000087
其中，
Figure BDA0002617092640000088
表示基站与Rj之间的信道系数，
Figure BDA0002617092640000089
表示能量采集节点与恶意窃听者之间的信道系数。
本实施例中还公开了一种上行非正交多址的安全传输***，所述***包括基站、用户、多个能量采集节点和恶意窃听者，所述用户在信息传输阶段执行上行NOMA传输信息到基站，恶意窃听者在信息传输阶段企图截获用户传输的信息。在本实施例中，对于每个时间帧，通信被分为能量传输阶段和信息传输阶段；在能量传输阶段，基站向多个能量采集节点传输无线射频能量，能量采集节点进行能量采集；在信息传输阶段，用户执行上行NOMA传输信息到基站，同时，能量采集节点中的一个利用在能量传输阶段采集到的能量来发射人工噪声信号，干扰恶意窃听者；基站的主控模块根据能量采集***选择策略选择多个能量采集节点中的一个作为友好***并进行干扰，未被选中作为友好***的能量采集节点在***中作为储能装置，等待环境变化时作为***的备选；
所述基站包括主控模块，所述主控模块用于对基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息进行获取，并根据获取到的结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***；
所述主控模块根据获取到的信道状态信息结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***是指：若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好***；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大(也就是能够从能量传输阶段采集到最多能量)的能量采集节点作为友好***；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***；
所述友好***用于向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列依据基站与友好***之间的信道信息产生。
具体的，所述人工噪声伪随机序列通过物理层密钥生成技术依据基站与友好***之间的信道信息产生。
具体的，所述的恶意窃听者包括被动窃听者和主动窃听者。所述主动窃听者一般是网络中可信任等级较低的收发机，它的信道状态信息已知。所述被动窃听者的信道状态信息未知。根据信道状态信息是否已知，从而有了不同的***选择策略。
具体的，在本实施例中随机能量采集***选择、最大能量采集***选择、最优能量采集***选择策略与上述实施例相同。
参照图1，设上行非正交多址的安全传输***由一个基站、M个用户(表示为U＝{U1,...,UM})、N个能量采集节点(表示为R＝{R1,...,RN})和一个恶意窃听者构成。每个单位时间帧的通信被分为两个阶段，分别是能量传输阶段(占用时间为αT)和信息传输阶段(占用时间为(1-α)T)。
在能量传输阶段，基站为能量采集节点传输无线射频能量，即任一个能量采集节点Rj上采集到的能量可以表示为：
Figure BDA0002617092640000101
其中η表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率，
Figure BDA0002617092640000102
表示基站与Rj之间的信道系数。
在信息传输阶段，用户执行上行NOMA传输到基站，为了减缓NOMA的用户间干扰和SIC的处理时延，用户将进行随机配对，每对用户被分配正交传输资源，同时每对用户内部执行NOMA传输。不失一般性，假设Un和Um(Un的信道质量优于Um)为一对NOMA用户，根据上行NOMA原理，基站解码Un和Um信号的可达信噪比分别表示为
Figure BDA0002617092640000103
和
Figure BDA0002617092640000104
其中
Figure BDA0002617092640000105
为用户的传输信噪比，N0为加性高斯白噪声的功率，Pu(Pu>0)表示用户的发射功率，
Figure BDA0002617092640000106
和
Figure BDA0002617092640000107
分别表示基站与Un和Um之间的信道系数。同时，由于无线信道的开放性，窃听者企图截获NOMA用户传输的信息。为了保证信息的安全通信，同时减少全参与带来的***开销，在信息传输阶段，能量采集节点中的一个将被选择作为友好***，
根据上面的分析，可以得出在本发明提出的传输方法下，***用户的安全中断概率Ps,κ和安全吞吐量Ts,κ分别为：
Figure BDA0002617092640000108
Figure BDA0002617092640000109
其中，κ∈{n,m}，EJS∈{REJS,MEJS,OEJS}，Rt,κ表示Uκ的编码速率，Rs,κ表示Uκ的目标安全速率，Rt,κ-Rs,κ表示对抗窃听的冗余速率，
Figure BDA0002617092640000111
表示基站解码Un和Um信号的可达信噪比。
实施例1
在上述实施例的基础上，本实施例公开了以下技术特征：
设***各参数为：M＝N＝5，节点之间的信道平均增益为
Figure BDA0002617092640000112
Rt,κ＝1.5BPCU，Rs,κ＝0.8BPCU，ρu＝10dB，α＝0.4，η＝0.8。仿真得到了上行非正交多址***在瑞利信道条件下，使用现有的无能量采集***传输方法(NEJS)和使用本发明所提出传输方法的用户安全中断概率和安全吞吐量随着平均信噪比的变化曲线，如图2、3、4所示，其中图2为用户Uκ的安全中断概率仿真，图3和图4分别为强用户Un和弱用户Um的安全吞吐量仿真。
从图2可以看出，相比现有NEJS方法，本发明所提出的方法显著地降低了用户传输的安全中断概率。同时可以看出，OEJS策略优于MEJS策略，MEJS策略优于REJS策略。
从图3和图4可以看出，相比现有NEJS方法，本发明所提出的方法显著地改善了用户传输的安全吞吐量。同时可以看出，在中低信噪比下，OEJS策略优于MEJS策略，MEJS策略优于REJS策略；然而在高信噪比时，三种能量采集***选择策略收敛于同一个安全吞吐量值。这是由于高信噪比时，相比较安全中断造成的影响，用户传输的连接中断成为制约安全吞吐量的性能瓶颈。

Claims (4)

1.一种上行非正交多址的安全传输方法，用于在存在恶意窃听者的情况下，选择合适的友好***并对恶意窃听者进行干扰，实现用户对基站的上行NOMA安全传输，其特征在于，所述选择合适的友好***并对恶意窃听者进行干扰包括如下步骤：
步骤1：获取基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息，并根据获取到的结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***；
其中，若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好***；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大的能量采集节点作为友好***；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***；
步骤2：步骤1选择出的友好***向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列根据基站与友好***之间的信道信息产生；
步骤3：基站检测到人工噪声伪随机序列并移除，恶意窃听者接收到人工噪声伪随机序列，受到干扰。
2.如权利要求1所述的上行非正交多址的安全传输方法，其特征在于，随机选择出的友好***表示为式Ⅰ：
Figure FDA0002617092630000011
其中，Rr表示随机选择出的友好***，Rj表示第j个能量采集节点，rand{·}表示每个能量采集节点以等概率被选为***，Δ＝{1,2,...,N}，N表示能量采集节点的总数；
发射功率最大的能量采集节点作为友好***表示为式Ⅱ：
Figure FDA0002617092630000021
其中，Rv表示根据发射功率最大选择出的友好***，
Figure FDA0002617092630000022
表示能量采集节点Rj作为***时发射人工噪声的功率且
Figure FDA0002617092630000023
Ej表示能量采集节点Rj采集到的无线射频能量且
Figure FDA0002617092630000024
α表示在一个时间帧长T内能量传输和信息传输两个阶段的时间分配比且α∈(0，1)，η表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率，
Figure FDA0002617092630000025
表示基站与Rj之间的信道系数；
能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***表示为式Ⅲ：
Figure FDA0002617092630000026
其中，Ro表示根据能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比选择出的友好***，γe表示恶意窃听者接收信号的信噪比。
3.一种上行非正交多址的安全传输***，所述***包括基站、用户、多个能量采集节点和恶意窃听者，所述用户在信息传输阶段执行上行NOMA传输信息到基站，恶意窃听者在信息传输阶段企图截获用户传输的信息，其特征在于，所述基站包括主控模块，所述主控模块用于获取基站和能量采集节点之间及恶意窃听者的信道状态信息，并根据获取到的信道状态信息结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***；
所述主控模块根据获取到的信道状态信息结果选择多个能量采集节点中的一个作为友好***是指：若没有获取到任何信道状态信息时，则在所有能量采集节点中随机地选择一个能量采集节点作为友好***；若获取到能量采集节点的信道状态信息且没有获取到恶意窃听者的信道状态信息时，则选择发射功率最大的能量采集节点作为友好***；若获取到恶意窃听者信道状态信息时，则选择能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***；
所述友好***用于向基站和恶意窃听者发射人工噪声伪随机序列，所述人工噪声伪随机序列依据基站与友好***之间的信道信息产生。
4.如权利要求3所述的上行非正交多址的安全传输***，其特征在于，随机选择出的友好***表示为式Ⅰ：
Figure FDA0002617092630000031
其中，Rr表示随机选择出的友好***，Rj表示第j个能量采集节点，rand{·}表示每个能量采集节点以等概率被选为***，Δ＝{1,2,...,N}，N表示能量采集节点的总数；
发射功率最大的能量采集节点作为友好***表示为式Ⅱ：
Figure FDA0002617092630000032
其中，Rv表示根据发射功率最大选择出的友好***，
Figure FDA0002617092630000033
表示能量采集节点Rj作为***时发射人工噪声的功率且
Figure FDA0002617092630000034
Ej表示能量采集节点Rj采集到的无线射频能量且
Figure FDA0002617092630000035
α表示在一个时间帧长T内能量传输和信息传输两个阶段的时间分配比且α∈(0，1)，η表示能量转换率，Pb表示基站的发射功率，
Figure FDA0002617092630000036
表示基站与Rj之间的信道系数；
能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比的能量采集节点作为友好***表示为式Ⅲ：
Figure FDA0002617092630000037
其中，Ro表示根据能够最小化恶意窃听者接收信号信噪比选择出的友好***，γe表示恶意窃听者接收信号的信噪比。
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