CN108834113B - 一种面向5g蜂窝网物理层安全的d2d隐蔽通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统及其通信方法，包含联合辅助隐蔽通信模型构建，隐蔽性计算和吞吐量计算，联合辅助隐蔽通信模型将普遍认为不利的干扰链路转化为友好的辅助者，在BS蜂窝信号和D2D非隐蔽信号的联合辅助下，动态分配各发送端的功率，在窃听者Willie的检测端引入动态变化的功率，有效提高隐蔽性和吞吐量；隐蔽性计算中，基于D2D通信对Pair m的发送端是否已知窃听者Willie的检测阈值，分别采用错误检测概率和最小错误检测概率衡量系统的隐蔽性；吞吐量计算中，通过调整隐蔽信号的发送功率，获得大于零的平均隐蔽率即吞吐量，且在D2D通信对Pair m接收端进行干扰消除有效提高系统的吞吐量。

Description

一种面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统及其通信 方法

技术领域

本发明属于无线通信技术，具体涉及一种面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统及其通信方法。

背景技术

D2D通信是指两个终端设备无需基站或接入点的中继辅助，可直接进行信息传送。在频谱资源越来越紧张时，D2D通信缓解了基站的数据转发负担，提升了频谱利用效率，因此成为5G通信的关键技术之一，受到了越来越广泛的关注。实际5G蜂窝网络中D2D终端用户多为单天线、功率受限设备，由于无线通信网络的开放性，极易受到干扰和窃听。传统密码保密系统难以克服计算限制，因而从信息论角度进行物理层安全研究掀起了研究热潮。

在基于信息论的物理层安全中，当信息传输速率等于主信道的信道容量时，可实现绝对安全通信，此时窃听者只能通过猜测获取信息。但实际D2D蜂窝通信系统，难以获得足够的安全通信速率，需通过多天线技术、辅助干扰技术来提高系统可实现保密率。然而，即便如此，窃听者仍然能够获取通信关系、通信实体的存在性等隐私信息，保密仅限于传送内容。在某些特殊应用场景下需要对通信链路的存在性进行保密，如银行业务中的支付服务，军事应用中的秘密信息交换等。

窃听环境下隐私敏感数据的隐蔽传送问题也逐渐得到关注，近年来这一技术研究得到关注，利用窃听者对背景噪声的不确定性，隐蔽信号传送的时间不确定性等均可实现隐蔽通信。

但目前缺乏专门针对5G蜂窝通信系统中D2D隐蔽通信的方案。当D2D蜂窝通信系统中窃听者已知窃听链路信道参数和噪声信息时，D2D通信链路隐蔽信号的吞吐量为零，即无法实现在隐蔽性限制条件下达到大于零的平均通信速率。因此，从物理层安全角度对5G蜂窝通信系统中的D2D隐蔽通信方法进行研究，并对其隐蔽性和吞吐量进行优化分析是必要与可行的。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统及其通信方法。

技术方案：本发明的一种面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统，包括以下终端：基站BS、蜂窝用户CU_i、D2D通信对Pair m和窃听者Willie，且每个终端均配置单天线；

所述基站BS发送蜂窝信号至各个蜂窝用户CU_i，且基站BS为蜂窝用户CU_i统一分配正交的频谱资源，因而不同蜂窝用户CU_i彼此之间不存在相互干扰；每个D2D通信对Pair m均包含一个发送者D_T和一个接收者D_R，有且只与一个蜂窝用户共享频谱资源；D2D通信对Pair m与蜂窝用户CU_i下行通信链路复用频谱资源；D2D通信对Pair m只进行非隐蔽信号传送称之为非隐蔽通信阶段，同时进行隐蔽信号和非隐蔽信号传送称之为隐蔽通信阶段；

所述蜂窝网中存在六条与隐蔽信号直接相关的通信链路，包括两条期望通信链路、一条窃听者Willie的窃听链路D_T-Willie和三条干扰链路，两条期望通信链路分别为蜂窝通信链路(BS-CU_i)和D2D通信链路(D_T-D_R)；三条干扰链路分别为D_T-CU_i，BS-D_R，BS-Willie；

所述窃听者Willie采用检测器对D2D通信对Pair m进行监听，探测其是否进行了隐蔽信号的传送；

其中，i＝1,2…N；m＝1,2…M。

通过上述发明能够解决现有技术中的以下缺陷：蜂窝网中窃听者Willie已知窃听链路D_T-Willie信道参数和噪声信息，D2D通信对Pair m中隐蔽信号的吞吐量为零，即无法实现在隐蔽性限制条件下达到大于零的平均通信速率。本发明还公开了一种面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统的通信方法，依次包括以下步骤：

(1)构建联合辅助隐蔽通信模型，即发送者D_T将蜂窝信号和非隐蔽信号当作联合辅助信号源，然后建立联合辅助隐蔽通信模型：根据D2D通信对Pair m的信道参数变化，确定D2D通信对Pair m进入非隐蔽通信阶段、隐蔽通信阶段或停止通信阶段的前提条件，并求解各通信阶段蜂窝信号和非隐蔽信号的发送功率；

(2)计算联合辅助隐蔽通信模型隐蔽性，即对窃听者Willie的错误检测概率或最小错误检测概率进行计算，并判定其是否满足隐蔽性需求；

(3)计算联合辅助隐蔽通信模型吞吐量，即建立吞吐量计算模型，通过搜索算法求解吞吐量。

通过上述方法能够获得大于零的吞吐量，且在联合辅助隐蔽通信模型下隐蔽性和吞吐量可得到有效提高。

进一步的，所述步骤(1)中建立联合辅助隐蔽通信模型的具体方法为：

(1.1)发送者D_T综合考虑自身峰值功率限制P_max和来自蜂窝通信链路的干扰功率限制

选择两者之中的最小值作为发送者D_T最大发送功率P_dm＝min{P_max，T}；其中，P_bm为基站BS峰值发送功率，R_b为蜂窝信号通信速率，h_bc为基站BS到蜂窝用户CU_i的信道参数，h_tc为发送者D_T到蜂窝用户CU_i的信道参数，N_c为蜂窝用户CU_i的接收噪声功率。

(1.2)系统根据D2D通信对Pair m的信道参数h_tr的变化情况，确定D2D通信对Pairm可进入的通信阶段。当D2D通信对Pair m的信道参数h_tr满足条件

系统可切换为隐蔽通信阶段；当D2D通信对Pair m的信道参数h_tr满足条件

系统可切换为非隐蔽通信阶段；若以上两个条件均不满足，则D2D通信对Pair m不进行信号传输，进入停止通信阶段。其中，各系数分别为

R_s为非隐蔽信号通信速率，h_br为基站BS到接收者D_R的信道参数。

(1.3)基站BS和发送者D_T根据当前时隙D2D通信对Pair m信道参数和需求的通信阶段，分配蜂窝信号和非隐蔽信号的发送功率；非隐蔽通信阶段D2D通信对Pair m的非隐蔽信号发送功率为

非隐蔽通信阶段基站BS发送至蜂窝用户CU_i的蜂窝信号发送功率为

隐蔽通信阶段非隐蔽信号发送功率为

隐蔽通信阶段蜂窝信号发送功率为

进一步的，所述步骤(2)中错误检测概率ξ等于虚警概率P_FA和漏警概率P_MD之和，即ξ＝P_FA+P_MD；所述虚警概率P_FA为D2D通信对Pair m未进行隐蔽信号传送时，窃听者Willie判断失误的概率；所述漏警概率P_MD为D2D通信对Pair m进行隐蔽信号传送时，窃听者Willie判断失误的概率；

窃听者Willie在单个块衰落情形下，通过收集信号进行统计判决，将其收集信号的功率平均值Y与其检测阈值τ进行比较，当D2D通信对Pair m发送者D_T已知窃听者Willie检测阈值τ时，以错误检测概率ξ>1-ε作为隐蔽性判决标准；当发送者D_T无法获取窃听者Willie检测阈值τ时，以最小错误检测概率ξ(τ^*)>1-ε作为隐蔽性判决标准，τ^*为对应的检测阈值，ε为大于0任意值；

上述联合辅助隐蔽通信模型隐蔽性的计算方法为：

(2.1)在非隐蔽通信阶段，即满足前提条件C₀下窃听者Willie收集信号的功率平均值为Y＝P_b0|h_bw|²+P_d0|h_tw|²+N_w，在隐蔽通信阶段，即满足前提条件C₁下窃听者Willie收集信号的功率平均值为Y＝P_b1|h_bw|²+(P_c+P_d1)|h_tw|²+N_w。发送者D_T可计算窃听者Willie的虚警概率P_FA＝P{Y＝P_b0|h_bw|²+P_d0|h_tw|²+N_w≥τ|C₀}，漏警概率P_MD＝P{Y＝P_b1|h_bw|²+(P_c+P_d1)|h_tw|²+N_w≤τ|C₁}。窃听者Willie对D2D通信对Pair m的信道参数h_tr具有不确定性，但已知其分布函数为F(x)＝1-e^-x，可计算获得虚警概率P_FA和漏警概率P_MD为：

其中，式中各参数分别为

ω₃＝ω₂+ω₁P_dm，

其中N_w为窃听者Willie的接收噪声功率，h_bw为基站BS到窃听者Willie的信道参数，h_tw为发送者D_T到窃听者Willie的信道参数。

(2.2)当D_T已知窃听者Willie的检测阈值τ时，判断错误检测概率ξ＝P_FA+P_MD>1-ε是否成立，若成立将满足隐蔽通信要求；其中，当

时，ω₃≥ω₄可得错误检测概率等于虚警概率P_FA和漏警概率P_MD之和，可得

(2.3)当D_T无法获取窃听者Willie的检测阈值τ时，判断最小错误检测概率ξ(τ^*)>1-ε是否成立，若成立将满足隐蔽通信要求。最小错误检测概率的求解，即以Willie的检测阈值τ为变量，求解函数ξ(τ)的最小值。其中，函数ξ(τ)的最小值位于区间ω₄≤τ≤ω₃内，该区间为闭区间，可通过搜索算法求解获得最小值，即最小错误检测概率ξ(τ^*)。

进一步的，所述步骤(3)中隐蔽吞吐量是指在满足隐蔽性需求前提下D2D通信链路上隐蔽信号的最大平均通信速率；隐蔽吞吐量的计算结果为：

其中各系数为μ＝N_d(P_c)^-1，θ＝1+P_cρ₁(N_d)^-1，

E(R_c)为隐蔽信号的平均隐蔽率，R_c为隐蔽信号的通信速率。

上述公式(4)中的限制条件的选择根据D_T是否已知窃听者Willie的检测阈值τ来进行确定：其具体实现为：第一步，选择隐蔽性判决标准，计算满足隐蔽性要求下隐蔽信号的最大发送功率；第二步，求解隐蔽信号的平均通信速率；第三步，结合隐蔽信号最大发送功率，利用搜索算法求解最大平均隐蔽率，即隐蔽信号的吞吐量。

进一步的，所述联合辅助隐蔽通信模型中，蜂窝通信链路BS-CU_i、干扰链路D_T-CU_i和BS-Willie相结合，将基站BS蜂窝信号转化为友好干扰者；同时将D2D通信对Pair m的通信链路，即D2D通信链路D_T-D_R和窃听链路D_T-Willie相结合，将D2D通信对Pair m的非隐蔽信号也转化为友好干扰者；在BS蜂窝信号和D2D非隐蔽信号的联合辅助下，利用窃听者对D2D通信链路信道参数的不确定性，动态分配各发送端的功率(即步骤(1.2)和(1.3)所述的各发送端功率P_b0，P_d0，P_b1，P_d1为信道参数h_tr的函数，随着h_tr变化而变化)；从而在窃听者Willie的检测端引入动态变化的功率，提高错误检测概率，满足隐蔽性需求，可进行隐蔽信号的传送，且其吞吐量大于0。

进一步的，所述联合辅助隐蔽通信模型中，基站BS通过安全通信链路从发送者D_T处获取D2D通信链路的信道参数，且基站BS与蜂窝用户CU_i之间的蜂窝通信链路对发送者D_T产生干扰反馈；窃听者Willie对D2D通信对Pair m的信道参数具有不确定性。

进一步的，所述联合辅助隐蔽通信模型中，隐蔽信号、蜂窝信号和非隐蔽信号彼此之间相互独立，隐蔽信号发送功率小于蜂窝信号和非隐蔽信号，在D2D通信对Pair m接收者D_R处结合非正交多址技术，执行串行干扰消除算法，消除其他信号对隐蔽信号的干扰，进一步提高了隐蔽信号的吞吐量。

串行干扰消除方法的具体内容为：第一步，蜂窝用户CU_i将非隐蔽信号和隐蔽信号当作干扰解码蜂窝信号，接收者D_R将蜂窝信号和隐蔽信号当作干扰解码非隐蔽信号；第二步，基于联合辅助隐蔽通信模型，接收者D_R利用串行干扰消除算法减去蜂窝信号和非隐蔽信号；第三步，接收者D_R解码隐蔽信号。

有益效果：本发明通过联合辅助隐蔽通信模型构建，隐蔽性计算和吞吐量计算可获得大于零的吞吐量，且在联合辅助隐蔽通信模型下隐蔽性和吞吐量得到有效提高。其中，联合辅助隐蔽通信模型将普遍认为不利的干扰链路转化为友好的辅助者，在BS蜂窝信号和D2D非隐蔽信号的联合辅助下，动态分配各发送端的功率，在窃听者Willie的检测端引入动态变化的功率，有效提高了系统隐蔽性和吞吐量；联合辅助隐蔽通信模型隐蔽性计算中，基于D2D通信对Pair m的发送端是否已知窃听者Willie的检测阈值，分别采用错误检测概率或最小错误检测概率衡量系统的隐蔽性；联合辅助隐蔽模型吞吐量计算中，在满足隐蔽性需求基础之上，通过调整隐蔽信号的发送功率，可获得大于零的平均隐蔽通信速率，即吞吐量，且在D2D通信对Pair m接收端进行干扰消除有效提高了系统的吞吐量。

附图说明

图1是本发明的5G蜂窝网模型图。

图2是本发明的通信链路示意图。

图3是本发明的D2D隐蔽通信模型总体流程图。

图4是本发明中D2D隐蔽通信模型通信阶段选择示意图。

图5是本发明中D2D隐蔽通信模型错误检测概率计算的流程图。

图6是本发明中D2D隐蔽通信模型最小错误检测概率计算的流程图。

图7是本发明中D2D隐蔽通信模型吞吐量计算的流程图。

图8是错误检测概率ξ与窃听者Willie的检测阈值τ关系仿真图。

图9是平均隐蔽率E(R_c)与隐蔽信号发送功率P_c关系仿真图。

图10是本发明所述隐蔽通信方法与其他的方案对比仿真图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种面向5G蜂窝网物理层安全的隐蔽通信模型图。蜂窝网络场景中包含基站BS、蜂窝用户CU_i(i＝1,2…N)、D2D通信对Pair m(m＝1,2…M)和窃听者Willie，每个终端均配置为单天线。考虑D2D通信对Pair m与蜂窝用户CU_i复用频谱资源，Willie只对D2D通信对Pair m进行监听，各通信链路之间的关系如图2所示。D2D通信对Pairm发送者记作D_T、接收者记作D_R。各通信链路服从独立的准静态Rayleigh块衰落，其相应的信道参数为独立同分布循环对称复杂高斯随机变量。各通信终端之间的信道参数分别表示为：BS-CU_i为h_bc，BS-Willie为h_bw，BS-D_R为h_br，DT-CU_i为h_tc，D_T-D_R为h_tr，D_T-Willie为h_tw。各通信链路信道噪声均服从复杂高斯分布，蜂窝用户CU_i的噪声功率为N_c，D2D通信对Pair m的噪声功率为N_d，窃听者Willie的噪声功率为N_w。窃听者Willie已知BS-CU_i通信链路信道参数、通信速率和除D2D通信对Pair m之外的信道状态信息(CSI)等参数。窃听者Willie对D2D通信对Pair m，即D_T-D_R的信道参数h_tr具有不确定性，已知其分布函数为F(x)＝1-e-^x。

本发明的一种面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统的通信方法，具体实施过程分成以下几步完成。

首先，结合图3和图4完成联合辅助隐蔽通信模型构建：根据信道参数h_tr的变化情况，确定D2D通信对Pair m进入非隐蔽通信阶段、隐蔽通信阶段或停止通信阶段的判决条件。当信道参数h_tr满足条件C₁，系统可切换为隐蔽通信阶段；当信道参数h_tr满足条件C₀，系统可切换为非隐蔽通信阶段；若以上条件均不成立，则D2D通信对Pair m不进行信号传输，进入停止通信阶段。

然后，结合图3，图5和图6完成联合辅助隐蔽通信模型隐蔽性计算。根据D_T对窃听者Willie检测阈值τ是否已知，分别采用错误检测概率和最小错误检测概率来进行隐蔽性衡量。当D_T对窃听者Willie的检测阈值τ已知时，结合图3和图5完成隐蔽性判断，具体流程如下：

1)窃听者Willie在单个块衰落情形下，通过收集信号进行统计判决，将其收集信号的功率平均值Y与其检测阈值τ进行比较。此处考虑在C₀前提条件下计算虚警概率P_FA如公式(1)；在C₁前提条件下计算漏警概率P_MD如公式(2)。

2)根据公式ξ＝P_FA+P_MD计算获得错误检测概率如公式(3)。当D_T已知窃听者Willie检测阈值时，通过参数的调整和设定，使得错误检测概率满足ξ>1-ε，从而符合隐蔽性需求，进行隐蔽信号的传送。3)当D_T对窃听者Willie的检测阈值τ未知时，结合图3，图5和图6完成隐蔽性判断，具体流程为：第一步，按照图5求解错误检测概率ξ；第二步，以检测阈值τ为变量对ξ(τ)进行分段考虑；第三步，求解获得最小错误检测概率ξ(τ^*)，其对应的最佳检测阈值在区间ω₄≤τ^*<ω₃内。

最后，结合图3和图7考虑联合辅助隐蔽通信模型吞吐量计算，在满足隐蔽性要求前提下，求解D2D通信对Pair m隐蔽信号的吞吐量。具体流程为：第一步，计算隐蔽信号的通信速率R_c＝log₂(1+P_c|h_tr|²(N_d)^-1)；第二步，以信道参数h_tr为变量考虑平均隐蔽率E(R_c)；第三步，考虑隐蔽性需求，获得隐蔽信号发送功率范围，采用搜索算法获得隐蔽信号的最佳发送功率，求解最大平均隐蔽率，获得吞吐量如公式(4)。

实施例：为了验证本发明所提方法的性能，进行以下仿真实验：

图8、图9和图10仿真环境如下：如不作特殊说明，窃听者Willie已知的各通信链路均为Rayleigh块衰落信道，信道参数都服从均值为0，方差为1的复高斯分布。各通信链路的噪声服从复杂高斯分布，设定N_d＝N_w＝N_c。

图8给出了蜂窝信号通信速率R_b和最大发送功率P_bm在不同取值下，错误检测概率ξ关于窃听者Willie检测阈值τ的变化情况。此时设定发送者D_T自身峰值功率P_max＝30 dB，隐蔽信号的发送功率P_c＝0.1 dB，各噪声功率为10 dB，非隐蔽信号通信速率为R_s＝1。从图可知，错误检测概率ξ存在一个最小值点，且在不同蜂窝信号通信速率R_b和最大发送功率P_bm取值下，错误检测概率ξ在横轴上移动。若D_T已知窃听者Willie检测阈值τ，则可以通过调整系统各参数，如蜂窝信号通信速率R_b和最大发送功率P_bm，避开不符合隐蔽性要求ξ>1-ε的阈值区间，实现隐蔽通信。若D_T未知窃听者Willie检测阈值τ时，从图中也可发现最小错误检测阈值的大小也随着蜂窝信号各参数变化而发生变化。如当蜂窝信号最大发送功率P_bm由30dB增加为40 dB时，最小错误检测概率由0.91645增加为0.9242。因此，通过系统各参数调整，使得隐蔽性得到满足，从而可进行隐蔽信号的传送。

图9分别考虑发送者D_T已知和未知窃听者Willie的检测阈值τ时，隐蔽信号的发送功率P_c和平均隐蔽率E(R_c)之间关系。此时设定P_bm＝P_max＝30dB，R_s＝R_b＝1。当D_T已知窃听者Willie检测阈值时，由图9可知平均隐蔽率E(R_c)并非P_c的单调函数，存在极大值点。随着P_c的增加，E(R_c)会获得极大值点，若ξ>1-ε满足，则此时为最佳选择。当D_T对窃听者Willie检测阈值未知时，若考虑ξ(τ^*)>1-ε(ε＝0.15)时，E(R_c)只在P_c的较低区域有效，不可获得极大值。此时E(R_c)为P_c的单增函数。

图10将本发明与另外两种现有技术进行比较和分析。现有技术1为无BS辅助，只考虑非隐蔽信号的辅助，此时假定窃听者Willie已知基站BS发送的蜂窝信号。现有技术2为未消除BS干扰，考虑基站BS蜂窝信号和非隐蔽信号的共同辅助，但在D2D通信对Pari1的接收端D_R处未考虑干扰消除。在相同参数设定下，P_bm＝P_max＝30dB，R_b＝3，噪声功率为10 dB，隐蔽性要求为ξ(τ^*)>1-ε(ε＝0.15)，图9绘制了三种方案下吞吐量与非隐蔽信号的通信速率R_s之间的关系。本发明所述方案在相同设定下能够获得较高的吞吐量。

图8，图9和图10仿真结果显示，本发明能够有效将基站BS蜂窝信号和D2D非隐蔽信号转化为辅助者，并在D2D通信对Pair m接收者D_R处执行干扰消除，能够有效提高系统的隐蔽性和吞吐量。

Claims (5)

1.一种面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统的通信方法，其特征在于：所述通信系统包括以下终端：基站BS、蜂窝用户CU_i、D2D通信对Pair m和窃听者Willie，且每个终端均配置单天线；

所述基站BS发送蜂窝信号至各个蜂窝用户CU_i，且基站BS为蜂窝用户CU_i统一分配正交的频谱资源；每个D2D通信对Pair m均包含一个发送者D_T和一个接收者D_R，有且只与一个蜂窝用户共享频谱资源；D2D通信对Pair m与蜂窝用户CU_i下行通信链路复用频谱资源；D2D通信对Pair m只进行非隐蔽信号传送称之为非隐蔽通信阶段，同时进行隐蔽信号和非隐蔽信号传送称之为隐蔽通信阶段；

所述蜂窝网中存在六条与隐蔽信号直接相关的通信链路，包括两条期望通信链路、一条窃听者Willie的窃听链路D_T-Willie和三条干扰链路，两条期望通信链路分别为蜂窝通信链路(BS-CU_i)和D2D通信链路(D_T-D_R)；三条干扰链路分别为D_T-CU_i，BS-D_R，BS-Willie；

所述窃听者Willie采用检测器对D2D通信对Pair m进行监听，探测其是否进行隐蔽信号的传送；其中，i＝1,2…N；m＝1,2…M；

所述通信方法依次包括以下步骤：

(1)构建联合辅助隐蔽通信模型，即发送者D_T将蜂窝信号和非隐蔽信号当作联合辅助信号源，然后建立联合辅助隐蔽通信模型：根据D2D通信对Pair m的信道参数变化，确定D2D通信对Pair m进入非隐蔽通信阶段、隐蔽通信阶段或停止通信阶段的前提条件，并求解各通信阶段蜂窝信号和非隐蔽信号的发送功率；

(1.1)发送者D_T综合考虑自身峰值功率限制P_max和来自蜂窝通信链路的干扰功率限制

选择两者之中的最小值作为发送者D_T最大发送功率P_dm＝min{P_max，T}；

其中，P_bm为基站BS蜂窝信号的最大发送功率，R_b为蜂窝信号的通信速率，h_bc为基站BS到蜂窝用户CU_i的信道参数，h_tc为发送者D_T到蜂窝用户CU_i的信道参数，N_c为蜂窝用户CU_i的接收噪声功率；

(1.2)当D2D通信对Pair m的信道参数h_tr满足前提条件C₁:

系统可切换为隐蔽通信阶段；当D2D通信对Pair m的信道参数h_tr满足前提条件C₀:

系统可切换为非隐蔽通信阶段；若以上两个条件均不满足，则D2D通信对Pair m不进行信号传输，进入停止通信阶段；

其中，各系数为

R_s为非隐蔽信号的通信速率，h_br为基站BS到接收者D_R的信道参数；

(1.3)基站BS和发送者D_T根据当前时隙D2D通信对Pair m信道参数和需求的通信阶段，分配蜂窝信号和非隐蔽信号的发送功率；非隐蔽通信阶段D2D通信对Pair m的非隐蔽信号发送功率为

非隐蔽通信阶段基站BS发送至蜂窝用户CU_i的蜂窝信号发送功率为

隐蔽通信阶段非隐蔽信号发送功率为

隐蔽通信阶段蜂窝信号发送功率为

其中N_d为接收者D_R的接收噪声功率，P_c为隐蔽信号的发送功率；

(2)计算联合辅助隐蔽通信模型隐蔽性，即对窃听者Willie的错误检测概率或最小错误检测概率进行计算，并判定其是否满足隐蔽性需求：

上述错误检测概率ξ等于虚警概率P_FA和漏警概率P_MD之和，即ξ＝P_FA+P_MD；所述虚警概率P_FA为D2D通信对Pair m未进行隐蔽信号传送时，窃听者Willie判断失误的概率；所述漏警概率P_MD为D2D通信对Pair m进行隐蔽信号传送时，窃听者Willie判断失误的概率；当D2D通信对Pair m发送者D_T已知窃听者Willie检测阈值τ时，以错误检测概率ξ>1-ε作为隐蔽性判决标准；当发送者D_T无法获取窃听者Willie检测阈值τ时，以最小错误检测概率ξ(τ^*)>1-ε作为隐蔽性判决标准，τ^*为对应的检测阈值，ε为大于0任意值；

联合辅助隐蔽通信模型隐蔽性的计算方法为：

(2.1)在非隐蔽通信阶段，即满足前提条件C₀下窃听者Willie收集信号的功率平均值为Y＝P_b0|h_bw|²+P_d0|h_tw|²+N_w，在隐蔽通信阶段，即满足前提条件C₁下窃听者Willie收集信号的功率平均值为Y＝P_b1|h_bw|²+(P_c+P_d1)|h_tw|²+N_w；发送者D_T可计算窃听者Willie的虚警概率P_FA＝P{Y＝P_b0|h_bw|²+P_d0|h_tw|²+N_w≥τ|C₀}，漏警概率P_MD＝P{Y＝P_b1|h_bw|²+(P_c+P_d1)|h_tw|²+N_w≤τ|C₁}；窃听者Willie对D2D通信对Pair m的信道参数h_tr具有不确定性，但已知其分布函数为F(x)＝1-e^-x，可计算获得虚警概率P_FA和漏警概率P_MD为：

其中，式中各参数分别为

ω₃＝ω₂+ω₁P_dm，

其中N_w为窃听者Willie的接收噪声功率，h_bw为基站BS到窃听者Willie的信道参数，h_tw为发送者D_T到窃听者Willie的信道参数；

(2.2)当D_T已知窃听者Willie的检测阈值τ时，判断错误检测概率ξ＝P_FA+P_MD>1-ε是否成立，若成立将满足隐蔽通信要求；其中，当

时，ω₃≥ω₄，由错误检测概率ξ等于虚警概率P_FA和漏警概率P_MD之和，可得

(2.3)当D_T无法获取窃听者Willie的检测阈值τ时，判断最小错误检测概率ξ(τ^*)>1-ε是否成立，若成立将满足隐蔽通信要求；最小错误检测概率的求解，即以窃听者Willie的检测阈值τ为变量，求解函数ξ(τ)的最小值；

其中，函数ξ(τ)的最小值位于区间ω₄≤τ≤ω₃内，该区间为闭区间，可通过搜索算法求解获得最小值，即最小错误检测概率ξ(τ^*)；

(3)计算联合辅助隐蔽通信模型吞吐量，即建立吞吐量计算模型，通过搜索算法求解吞吐量。

2.根据权利要求1所述的面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统的通信方法，其特征在于：所述步骤(3)中隐蔽吞吐量是指在满足隐蔽性需求前提下D2D通信链路上隐蔽信号的最大平均隐蔽率；隐蔽吞吐量的计算公式为：

其中各系数为μ＝N_d(P_c)^-1，θ＝1+P_cρ₁(N_d)^-1，

E(R_c)为隐蔽信号的平均隐蔽率，R_c为隐蔽信号的通信速率；

上述公式(4)中的限制条件的选择根据D_T是否已知窃听者Willie的检测阈值τ来进行确定：其具体实现为：第一步，选择隐蔽性判决标准，计算满足隐蔽性要求下隐蔽信号的最大发送功率；第二步，求解隐蔽信号的平均通信速率；第三步，结合隐蔽信号最大发送功率，利用搜索算法求解最大平均隐蔽率，即隐蔽信号的吞吐量。

3.根据权利要求1所述的面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统的通信方法，其特征在于：所述联合辅助隐蔽通信模型中，蜂窝通信链路BS-CU_i、干扰链路D_T-CU_i和BS-Willie相结合，将基站BS蜂窝信号转化为友好干扰者；同时将D2D通信对Pair m的通信链路，即D2D通信链路D_T-D_R和窃听链路D_T-Willie相结合，将D2D通信对Pair m的非隐蔽信号也转化为友好干扰者；在BS蜂窝信号和D2D非隐蔽信号的联合辅助下，利用窃听者Willie对D2D通信链路信道参数的不确定性，动态分配各发送端的功率。

4.根据权利要求1所述的面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统的通信方法，其特征在于：所述联合辅助隐蔽通信模型中，基站BS通过安全通信链路从发送者D_T处获取D2D通信对Pair m的信道参数，且基站BS与蜂窝用户CU_i之间的蜂窝通信链路对发送者D_T产生干扰反馈；窃听者Willie对D2D通信对Pair m的信道参数具有不确定性。

5.根据权利要求1所述的面向5G蜂窝网物理层安全的D2D隐蔽通信系统的通信方法，其特征在于：所述联合辅助隐蔽通信模型中，隐蔽信号、蜂窝信号和非隐蔽信号彼此之间相互独立，隐蔽信号发送功率小于蜂窝信号和非隐蔽信号，在D2D通信对Pair m接收者D_R处结合非正交多址技术，执行串行干扰消除算法，消除其他信号对隐蔽信号的干扰；

串行干扰消除方法的具体内容为：第一步，蜂窝用户CU_i将非隐蔽信号和隐蔽信号当作干扰解码蜂窝信号，接收者D_R将蜂窝信号和隐蔽信号当作干扰解码非隐蔽信号；第二步，基于联合辅助隐蔽通信模型，接收者D_R利用串行干扰消除算法减去蜂窝信号和非隐蔽信号；第三步，接收者D_R解码隐蔽信号。

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