CN109714737B - 一种具有全双工基站蜂窝网络的d2d隐蔽通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统及其通信方法，步骤为：建立具有全双工基站FD‑BS的D2D隐蔽通信模型、计算隐蔽性和吞吐量；D2D隐蔽通信模型利用全双工基站FD‑BS的空闲天线发送时变的人工噪声，在窃听者Willie的接收端引入不确定因子，实现D2D隐蔽通信；隐蔽性计算中，考虑D2D通信链路发送者DT和全双工基站FD‑BS对窃听者Willie的检测阈值具有不确定性，同时考虑窃听者Willie对相关通信链路的信道参数具有不确定性，采用平均最小错误检测概率来衡量隐蔽性；吞吐量计算中，以满足隐蔽性需求的前提下，D2D通信链路可实现的最大平均通信速率来衡量隐蔽吞吐量，在全双工基站FD‑BS的辅助下吞吐量得到有效提高。

Description

一种具有全双工基站蜂窝网络的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，具体涉及一种具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统及其通信方法。

背景技术

D2D通信已经成为第五代蜂窝网络中十分重要的近距离通信技术之一。它能够实现终端节点之间的直接通信，无需通过基站的转发，能够有效提高频谱的利用效率，且其具有功率消耗小、低延迟等优点。越来越多隐私敏感信息选取D2D通信链路进行隐蔽通信，但通常D2D通信节点多为单天线、功率受限设备，易受到窃听和攻击。因而，如何实现D2D链路的隐蔽通信得到了广泛的关注。

窃听环境下，隐蔽通信能够有效利用无线信道的本质传输特性将不利的因素(多径、噪声)转化为维护传输的安全性方法，可实现对通信链路的存在性进行保密，对敌手隐藏通信过程和通信关系。近年来这一技术研究也得到关注，当窃听者对窃听信道状态信息、隐蔽信号的发送时间和窃听者接收背景噪声信息具有不确定性时，可以实现隐蔽通信。在复杂的蜂窝网络环境中，如何利用现有的新型通信技术，实现隐蔽通信，并同时通过相应的干扰管理方法，有效提高系统的隐蔽吞吐量具有重要的现实意义。

全双工设备能够在同一频谱资源上实现同时收发信息。随着干扰删除技术(天线隔离、时间删除和空间抑制等)的不断发展，全双工设备的剩余自干扰可减少为噪声级别。因此，基于D2D设备具有单天线和功率限制等难题，难以实现隐蔽通信，可借助于蜂窝网络中的其他资源实现隐蔽通信。因此，对具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统及其通信方法进行研究，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，提供一种具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统及其通信方法。

技术方案：本发明的一种具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统,，包括全双工基站FD-BS、半双工蜂窝用户CU、半双工D2D发送者DT、半双工D2D接收者DR和半双工窃听者Willie；所述的半双工通信终端均为单天线(即半双工蜂窝用户CU、半双工D2D发送者DT、半双工D2D接收者DR和半双工窃听者Willie都采用单天线)，所述全双工基站FD-BS具有M个接收天线和N个发送天线，全双工基站FD-BS利用同一频谱资源同时发送和接收信息，其存在的剩余自干扰RSI为噪声级别；所述半双工蜂窝用户CU的上行链路和下行链路均采用正交的频谱资源，且相互之间不存在干扰；所述半双工D2D发送者DT和半双工D2D接收者DR组成D2D通信链路，且与半双工蜂窝用户CU的上行通信链路共享频谱资源；所述半双工窃听者Willie采用检测器对D2D通信链路进行监听，探测其是否进行隐蔽信号的传送；

上述系统中存在八条通信链路，包括三条期望通信链路、一条窃听链路DT-Willie和四条干扰链路；三条期望通信链路分别为蜂窝通信链路CU→BS、D2D通信链路DT→DR和人工噪声通信链路FD-BS→Willie；四条干扰链路分别为CU→Willie、CU→DR、DT→FD-BS和FD-BS→DR。

本发明还公开了一种具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统的通信方法，包括以下步骤：

(1)构建具有全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型，然后对系统各通信链路参数进行配置和初始化：D2D发送者DT发送隐蔽信号至D2D接收者DR；半双工蜂窝用户CU发送蜂窝信号至全双工基站FD-BS，同时全双工基站FD-BS发送时变的人工噪声信号至窃听者Willie；窃听者Willie对D2D通信链路是否进行隐蔽信号的传送进行监听和探测；

(2)计算全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的隐蔽性，并以窃听者Willie接收端的平均最小错误检测概率AMEP作为衡量标准，然后根据全双工基站FD-BS的发送天线N的个数为单个和多个来分别计算其对应的AMEP；

(3)计算全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的吞吐量，即满足隐蔽性需求下的D2D通信链路可实现的最大平均通信速率，即通过建立吞吐量计算模型，然后根据全双工基站FD-BS的接收和发送天线个数，最终通过优化搜索算法求得吞吐量。

其中，所述步骤(1)中建立具有全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的具体方法为：

(1.1)全双工基站FD-BS的发送天线和接收天线之间的剩余自干扰RSI为噪声级别，其功率建模为

其中ρ为剩余自干扰RSI衡量系数，

为全双工基站FD-BS接收到的噪声功率；全双工基站FD-BS发送的人工噪声功率服从均匀分布；

(1.2)当全双工基站FD-BS的发送天线和接收天线满足N＝M＝1时，发送的人工噪声信号将干扰窃听者Willie对D2D通信链路的检测，同时也将对接收者DR的信号接收产生干扰；当N≥2时，对人工噪声信号进行设计，消除对接收者DR的干扰，且当全双工基站FD-BS的接收天线M≥2(即N≥2且M≥2时)，可减小蜂窝通信链路的中断概率，从而提高吞吐量。

其中，所述步骤(2)中窃听者Willie的平均最小错误检测概率AMEP的计算方法为：

或

其中，P_e和P_e(N)为窃听者Willie的错误检测概率，是关于窃听者Willie的检测阈值τ的函数；基于D2D的发送者DT和全双工基站FD-BS无法获取检测阈值τ的数值，考虑最小错误检测概率

和

h_bw和h_bw分别为全双工基站在发送天线N＝1和N≥2时通信链路FD-BS→Willie的小规模信道衰落参数；h_tw为通信链路DT→Willie的小规模信道衰落参数；

根据全双工基站FD-BS的发送天线N的个数为1和多个(即N＝1和N≥2时)，分别采用以下的计算方法：

(2.1)当全双工基站FD-BS的发送天线N＝1时，窃听者Willie的错误检测概率满足P_e＝P_FA+P_MD；P_FA为窃听者Willie的虚警概率，其计算公式为

P_MD为窃听者Willie的漏警概率，其计算公式为

H₀表示D2D通信链路未进行隐蔽信号的传送，H₁表示D2D通信链路有隐蔽信号的传送；Y_w为窃听者Willie在单个块内收到的信号功率的平均值；P_c，P_b和P_t分别为蜂窝信号，人工噪声信号和D2D隐蔽信号的发送功率；h_cw，L_cw为CU→Willie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_tw，L_tw为DT→Willie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_bw，L_bw为FD-BS→Wiliie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；大规模衰落参数为L_ij＝(d₀/d_ij)^α,其中d₀为参考距离，α为路径损耗因子，d_ij为通信端点i和通信端点j之间的距离，i表示{t,b,c}，j表示{b,r,w}；τ为窃听者Willie的检测阈值，

为窃听者Willie接收的噪声功率；

通过计算上述虚警概率P_FA和漏警概率P_MD以及P_e＝P_FA+P_MD，可得错误检测概率为以下两种情况：

其中，式中各参数分别为

P_max为人工噪声的最大发送功率；

上述两种情形下的最小错误检测概率分别为：当ω₂≥ω₃时，min(P_e)＝1-P_tL_tw|h_tw|²/P_maxL_bw|h_bw|²；当ω₂≤ω₃时,min(P_e)＝0；对公式(1)进行分析，转化为

计算得出平均最小错误检测概率AMEP为

(2.2)当全双工基站FD-BS的发送天线N≥2时，窃听者Willie的相应虚警概率为：

窃听者Willie的漏警概率为

其中，h_bw为全双工基站FD-BS和窃听者Willie之间的小规模衰落向量；x_b＝W_ANx_AN为人工噪声信号，将其设计为W_ANh_br＝0，W_AN为权重向量，h_br为全双工基站FD-BS和接收者DR之间小规模衰落向量，且||h_bwx_b||²＝||h_bwW_AN||²/(N-1)；此时的错误检测概率P_e(N)等于虚警概率P_FA和漏警概率P_MD之和，求解其对应的最小错误检测概率为：当ω₅≥ω₆时，min[P_e(N)]＝1-P_tL_tw|h_tw|²(N-1)/P_maxL_bw||h_bwW_AN||²；当ω₅≤ω₆时，min[P_e(N)]＝0；其中

此时，将公式(1)展开为

计算得出平均最小错误检测概率AMEP为：

其中，Λ＝P_maxL_bw/P_tL_tw。

其中，所述步骤(3)中吞吐量的详细计算方法为：

(3.1)当全双工基站FD-BS的发送和接收天线满足N＝M＝1时，吞吐量的计算公式为：

其中，

为平均最小错误检测概率AMEP，ε为允许的错误检测概率，P_t为D2D通信链路隐蔽信号的发送功率，θ_d＝R_d(1-P_co)(1-P_do)为D2D通信链路可实现的平均通信速率，R_d为D2D通信链路需求的通信速率，P_co为蜂窝通信链路的中断概率，P_do为D2D通信链路的中断概率，此时具体计算过程如下：

1)求解可实现的平均通信速率；首先，计算蜂窝通信链路的中断概率为P_co＝P{log₂(1+γ_c)}，其中，

为蜂窝通信链路的信号与干扰加噪声比SINR，

为全双工基站FD-BS的剩余自干扰RSI功率，

为全双工基站FD-BS收到的噪声功率，h_cb，L_cb为CU→FD-BS通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_tb，L_tb为DT→FD-BS通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；然后，计算D2D通信链路的中断概P_do＝P{log₂(1+γ_d)}，其中，

为接收者DR的噪声功率，h_tr，L_tr为DT→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_cr，L_cr为CU→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_br，L_br为FD-BS→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；通过计算可知，蜂窝通信链路和D2D通信链路的中断概率分别为：

基于公式θ_d＝R_d(1-P_co)(1-P_do)，得

2)求解吞吐量；根据给定的允许错误检测概率ε，公式(2)中

是关于隐蔽信号发送功率P_t的单调递减函数，计算公式

求解发送者DT的可获得的最大发送功率P_tm(P_tm≤P_tmax)，其中P_tmax为发送者DT自身决定的最大发送功率；采用搜索算法在区间(0，P_tm]内，获得隐蔽信号的最优发送功率

使得公式(5)取得最大值，即求得吞吐量；

(3.2)当全双工基站FD-BS的发送和接收天线满足N≥2，M≥2时，吞吐量的计算采用如下公式：

其中，θ_d(M)为此种情形下可实现的平均通信速率，

为相应的平均最小检测错误概率AMEP，此时具体计算过程如下：

1)求解可实现的平均通信速率θ_d(M)＝R_d(1-P_co)(1-P_do)，蜂窝通信链路SINR为

其中h_tb为DT→FD-BS通信链路的小规模衰落参数向量。由P_co＝P{log₂(1+γ_c)}，可计算蜂窝通信链路的中断概率

式中W(*)为蕙特克函数，

D2D通信链路的信噪比SNR为

由P_do＝P{log₂(1+γ_d)}，可得

可得可实现的平均通信速率为：

2)当全双工基站FD-BS的发送天线N→∞时，求得平均最小错误检测概率的极限值为

是关于隐蔽信号发送功率P_t的单调函数；根据允许的错误检测概率ε，计算公式

可得发送者DT的最大发送功率P_tm(P_tm≤P_tmax)；进一步采用搜索算法在区间(0，P_tm]内，求解隐蔽信号的最优发送功率

使得公式(7)取得最大值，即吞吐量；否则，在区间(0，P_tmax]区间内满足

的前提下，求解隐蔽信号的最优发送功率

使得公式(7)取得最大值，即吞吐量，其中P_tmax为发送者DT自身决定的最大发送功率。

有益效果：本发明通过具有全双工基站FD-BS的D2D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，且在全双工基站FD-BS的辅助下隐蔽性和吞吐量得到有效提高。其中，D2D隐蔽通信模型利用全双工基站FD-BS的空闲天线发送时变的人工噪声信号，在窃听者Willie的接收端引入不确定因子，实现D2D隐蔽通信，且当全双工基站FD-BS的发送天线N≥2时，对人工噪声信号进行设计，消除对接收者DR的干扰，从而进一步提高系统的隐蔽吞吐量；隐蔽性计算中，考虑发送者DT和全双工基站FD-BS对窃听者Willie的检测阈值具有不确定性，以最小错误检测概率代替错误检测概率，且考虑窃听者Willie对相关通信链路的小规模衰落参数具有不确定性，采用平均最小错误检测概率来衡量隐蔽性；吞吐量计算中，综合考虑了蜂窝通信链路和D2D通信链路的中断概率，且通过适当增加全双工基站FD-BS的发送天线N、接收天线M或人工噪声信号的设计，可有效提高系统的吞吐量。

附图说明

图1是本发明的具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信模型图。

图2是本发明的D2D隐蔽通信模型总体流程图。

图3是本发明的N＝1时D2D隐蔽通信模型隐蔽性计算流程图。

图4是本发明的N≥2时D2D隐蔽通信模型隐蔽性计算流程图。

图5是本发明的N＝M＝1时D2D隐蔽通信模型吞吐量计算流程图。

图6是本发明的N≥2，M≥2时D2D隐蔽通信模型吞吐量计算流程图。

图7是平均最小错误检测概率

与隐蔽信号发送功率P_t关系仿真图。

图8是平均最小错误检测概率

与N关系仿真图。

图9是本发明所述的隐蔽通信方案对比仿真图。

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，本发明的一种具有全双工基站FD-BS蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统的蜂窝网络场景中包含全双工基站FD-BS、半双工蜂窝用户CU、半双工D2D发送者DT、半双工D2D接收者DR和半双工窃听者Willie。

所有半双工通信终端均配置为单天线设备。D2D通信链路(DT→DR)与蜂窝上行通信链路(CU→FD-BS)共享频谱资源。全双工基站FD-BS具有N个发送天线和M个接收天线，能够利用同一频谱资源同时进行信息的发送和接收。半双工窃听者Willie对D2D通信链路是否进行了隐蔽信号的传送进行监听和探测。各通信链路之间的关系如图1所示。各通信链路服从独立的准静态Rayleigh块衰落，其相应的小规模衰落参数为独立同分布循环对称复杂高斯随机变量。各通信终端之间的小规模衰落参数和距离分别表示为：CU→Willie为h_cw和d_cw，CU→DR为h_cr和d_cr，DT→DR为h_tr和d_tr，DT→Willie为h_tw和d_tw；当N＝M＝1时，CU→FD-BS为h_cb和d_cb，DT→FD-BS为h_tb和d_tb，FD-BS→DR为h_br和d_br，FD-BS→Willie为h_bw和d_bw。当N≥2，M≥2时，小规模衰落参数表示为：CU→FD-BS为h_cb，DT→FD-BS为h_tb，FD-BS→DR为h_br，FD-BS→Willie为h_bw。各发送端已知小规模衰落参数分布，对其瞬时值具有不确定性。大规模衰落参数已知，且等于L_ij＝(d₀/d_ij)^α，其中d_ij为通信端点i和通信端点j之间的距离，i∈{c,b,t}，j∈{b,r,w}，d₀为参考距离，α为路径损耗因子。各通信链路信道噪声均服从复杂高斯分布，蜂窝通信链路的接收噪声功率为

D2D通信链路的接收噪声功率为

窃听者Willie的接收噪声功率为

全双工基站FD-BS的剩余自干扰RSI功率为

其中ρ为剩余自干扰RSI系数。全双工基站FD-BS发送的人工噪声功率服从均匀分布，其最大发送功率为P_max。发送者DT自身的最大发送功率为P_tmax。R_d和R_c分别为D2D通信链路和蜂窝通信链路需求的通信速率。

上述具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统的通信方法，具体实施过程分为以下几步完成。

首先，结合图1和图2完成具有全双工基站FD-BS蜂窝网络的D2D隐蔽通信模型构建：DT发送隐蔽信号至DR，CU发送蜂窝信号至全双工基站FD-BS，窃听者Willie对D2D通信链路的隐蔽信号进行监测，判断其是否进行了隐蔽信号的传送。全双工基站FD-BS发送均匀分布的人工噪声信号至窃听者Willie。根据全双工基站FD-BS的发送天线N和接收天线M个数不同，考虑两种情形下系统的隐蔽性和吞吐量，即N＝M＝1和N≥2，M≥2。

然后，结合图2、图3和图4完成全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的隐蔽性计算。基于发送者DT和全双工基站FD-BS对窃听者Willie的检测阈值τ具有不确定性，采用最小错误检测概率代替错误检测概率，同时考虑窃听者Willie对相关小规模信道参数具有不确定性，以平均最小错误检测概率AMEP来衡量系统的隐蔽性。结合图3和图4，计算全双工基站FD-BS的发送天线N＝1和N≥2时窃听者Willie的平均最小错误检测概率，具体过程如下：第一步，窃听者Willie收集单个块衰落的信号，并将其收集信号的功率平均值Y_w与其检测阈值τ进行比较；第二步，基于n→∞时功率平均值Y_w，在H₀前提条件下计算虚警概率P_FA，在H₁前提条件下计算漏警概率P_MD；第三步，根据公式P_e＝P_FA+P_MD，计算错误检测概率，并在此基础之上求得最小错误检测概率；第四步，基于窃听者对相关通信链路具有不确定性，计算获得平均最小错误检测概率AMEP。

最后，结合图2、图5和图6完成全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的吞吐量计算。

(1)计算蜂窝通信链路和D2D通信链路的中断概率，并由公式θ_d＝R_d(1-P_co)(1-P_do)计算可实现的平均通信速率；

(2)在满足隐蔽性要求前提下，求解隐蔽信号可实现的最大平均通信速率，即吞吐量。考虑全双工基站FD-BS的发送和接收天线为N＝M＝1和N≥2，M≥2两种情形，并分别采用如下方法。

1)当全双工基站FD-BS的发送和接收天线N＝M＝1时，平均最小错误检测概率AMEP为D2D通信链路隐蔽信号发送功率P_t的单调函数，通过计算

获得发送者DT可获得的最大发送功率P_tm(P_tm≤P_tmax)，然后在区间(0,P_tm]内以搜索算法求解DT的最优发送功率P_t ^o和相应最大平均通信速率，即吞吐量。

2)当全双工基站FD-BS的发送和接收天线满足N≥2，M≥2时，根据N的大小，继续分成两种情况进行考虑。当N→∞时，平均最小错误检测概率的极限值

也为D2D通信链路隐蔽信号发送功率P_t的单调函数，通过计算

获得发送者DT可获得的最大发送功率P_tm(P_tm≤P_tmax)，并在区间(0,P_tm]内以搜索算法求解DT的最优发送功率P_t ^o和相应最大平均通信速率，即吞吐量；否则，在限制条件

和0＜P_t≤P_tmax下，以搜索算法求解DT的最优发送功率P_t ^o和相应吞吐量。

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：

如图7至图9所示，仿真环境如下：各通信链路的接收噪声服从复杂高斯分布，设定

参考距离d₀＝1，路径损耗因子α＝3。所有的Monte-Carlo仿真基于10⁵独立信道实现。

图7给出了人工噪声信号最大发送功率P_max，发送者DT与窃听者Willie之间距离d_tw在不同取值下，平均最小错误检测概率AMEP

关于隐蔽信号的发送功率P_t的变化情况。此时设定全双工基站FD-BS的发送和接收天线为N＝M＝1，与窃听者Willie之间距离d_bw＝1。图7中，“理论”为本发明所述的理论分析方法，“仿真”表示Monte-Carlo仿真结果。从图7可得出如下的结论：Monte-Carlo仿真的结果与理论分析结果基本保持一致，验证了理论分析的正确性；平均最小错误检测概率AMEP

是关于P_t的单调函数；随着P_max的增加，可提高平均最小错误检测概率AMEP

发送者DT与窃听者Willie之间距离d_tw越大，平均最小错误检测概率AMEP

也越大。因此，在全双工基站FD-BS发送的人工噪声信号的辅助下，可满足D2D通信系统的隐蔽性需求；提高人工噪声的最大发送功率，可适当提高系统的隐蔽性需求；加大发送者DT和窃听者Willie之间的距离也将有利于满足隐蔽性需求。

图8给出了隐蔽信号的发送功率P_t，人工噪声信号最大发送功率P_max在不同取值下，平均最小错误检测概率AMEP

关于全双工基站FD-BS的发送天线N的变化情况。此时设定全双工基站FD-BS与窃听者Willie之间距离d_bw＝1，发送者DT与窃听者Willie之间距离d_tw＝1.5。图中“基线”表示平均最小错误检测概率的极限值

“理论”为本发明所述的理论分析方法。从图8可得出如下结论：随着N增加，平均最小错误检测概率AMEP

呈增长趋势，并逐渐饱和于“基线”的数值；当D2D通信链路隐蔽信号的发送功率P_t减少，将会提高平均最小错误检测概率AMEP

的数值；同时P_max的增加也将增大平均最小错误检测概率AMEP

和其相应的极限值

因此，适当增加全双工基站FD-BS发送天线N将有利于提高系统隐蔽性，同时也进一步说明提高人工噪声最大发送功率将有利于满足隐蔽性需求；隐蔽性信号的发送功率P_t也影响平均最小错误检测概率AMEP

的大小。

图9对比了全双工基站FD-BS的发送天线N，接收天线M，可允许错误检测概率ε在不同情形下的吞吐量。具体给出了以下四种情形，分别为：N＝M＝1，

N＝M＝1，

N＝M＝2，

N＝M＝2，

此时设定蜂窝通信链路需求的通信速率R_c＝1，剩余自干扰RSI系数ρ＝1，各通信端点之间距离为d_tw＝d_cr＝d_br＝d_cb＝d_tb＝d_bw＝d_cw＝1，D2D通信链路的发送者DT和接收者DR之间距离为d_tr＝0.5，人工噪声信号的最大发送功率为P_max＝35dB，各通信链路的接收噪声

从图9可得出如下结论：本发明的理论分析与Monte-Carlo仿真结果基本一致，验证所述方案的正确性；在相同参数配置和隐蔽性需求下，N＝M＝2时系统的隐蔽吞吐量高于N＝M＝1时；在隐蔽性要求降低的情形下，吞吐量也会相对增加。

图7，图8和图9仿真结果显示，本发明能够有效利用全双工基站FD-BS的空闲天线发送人工噪声来满足隐蔽性需求，同时通过适当增加全双工基站FD-BS的发送天线N、接收天线M或人工噪声信号的设计，可有效提高系统的吞吐量。

Claims (1)

1.一种具有全双工基站蜂窝网络的D2D隐蔽通信系统，其特征在于：包括全双工基站FD-BS、半双工蜂窝用户CU、半双工D2D发送者DT、半双工D2D接收者DR和半双工窃听者Willie；

所述的半双工通信终端均为单天线，所述全双工基站FD-BS具有M个接收天线和N个发送天线，全双工基站FD-BS利用同一频谱资源同时发送和接收信息，其存在的剩余自干扰RSI为噪声级别；

所述半双工蜂窝用户CU的上行链路和下行链路均采用正交的频谱资源，且相互之间不存在干扰；所述半双工D2D发送者DT和半双工D2D接收者DR组成D2D通信链路，且与半双工蜂窝用户CU的上行通信链路共享频谱资源；

所述半双工窃听者Willie采用检测器对D2D通信链路进行监听，探测其是否进行隐蔽信号的传送；

上述系统中存在八条通信链路，包括三条期望通信链路、一条窃听链路DT-Willie和四条干扰链路；三条期望通信链路分别为蜂窝通信链路CU→BS、D2D通信链路DT→DR和人工噪声通信链路FD-BS→Willie；四条干扰链路分别为CU→Willie、CU→DR、DT→FD-BS和FD-BS→DR；

上述D2D隐蔽通信系统的通信方法，包括以下步骤：

(1)构建具有全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型，并对系统各通信链路参数进行配置和初始化，即：D2D发送者DT发送隐蔽信号至D2D接收者DR；半双工蜂窝用户CU发送蜂窝信号至全双工基站FD-BS，同时全双工基站FD-BS发送时变的人工噪声信号至窃听者Willie；窃听者Willie对D2D通信链路是否进行隐蔽信号的传送进行监听和探测；

(2)计算全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的隐蔽性，并以窃听者Willie接收端的平均最小错误检测概率AMEP作为衡量标准，然后根据全双工基站FD-BS的发送天线N的个数为单个和多个来分别计算其对应的AMEP；

(3)计算全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的吞吐量，即：通过建立吞吐量计算模型，然后根据全双工基站FD-BS的接收和发送天线个数，最终通过优化搜索算法求得吞吐量；所述步骤(1)中建立具有全双工基站FD-BS的D2D隐蔽通信模型的具体方法为：

(1.1)全双工基站FD-BS的发送天线和接收天线之间的剩余自干扰RSI为噪声级别，其功率建模为

其中ρ为剩余自干扰RSI衡量系数，

为全双工基站FD-BS接收到的噪声功率；全双工基站FD-BS发送的人工噪声功率服从均匀分布；

(1.2)当全双工基站FD-BS的发送天线和接收天线满足N＝M＝1时，发送的人工噪声信号将干扰窃听者Willie对D2D通信链路的检测，同时将对接收者DR的信号接收产生干扰；当N≥2时，对人工噪声信号进行设计，消除对接收者DR的干扰，且当全双工基站FD-BS的接收天线M≥2，可减小蜂窝通信链路的中断概率，从而提高吞吐量；

所述步骤(2)中窃听者Willie的平均最小错误检测概率AMEP的计算方法为：

其中，P_e和P_e(N)为窃听者Willie的错误检测概率，τ为窃听者Willie的检测阈值；基于D2D的发送者DT和全双工基站FD-BS无法获取检测阈值τ的数值，考虑最小错误检测概率

和

h_bw和h_bw分别为全双工基站在发送天线N＝1和N≥2时通信链路FD-BS→Willie的小规模信道衰落参数；h_tw为通信链路DT→Willie的小规模信道衰落参数；

根据全双工基站FD-BS的发送天线N＝1和N≥2时，分别采用以下的计算方法：

(2.1)当全双工基站FD-BS的发送天线N＝1时，窃听者Willie的错误检测概率满足P_e＝P_FA+P_MD；P_FA为窃听者Willie的虚警概率，其计算公式为

P_MD为窃听者Willie的漏警概率，其计算公式为

H₀表示D2D通信链路未进行隐蔽信号的传送，H₁表示D2D通信链路有隐蔽信号的传送；Y_w为窃听者Willie在单个块内收到的信号功率的平均值；P_c，P_b和P_t分别为蜂窝信号，人工噪声信号和D2D隐蔽信号的发送功率；h_cw，L_cw为CU→Willie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_tw，L_tw为DT→Willie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_bw，L_bw为FD-BS→Wiliie通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；大规模衰落参数为L_ij＝(d₀/d_ij)^α,其中d₀为参考距离，α为路径损耗因子，d_ij为通信端点i和通信端点j之间的距离，i表示{t,b,c}，j 表示{b,r,w}；τ为窃听者Willie的检测阈值，

为窃听者Willie接收的噪声功率；

通过计算上述虚警概率P_FA和漏警概率P_MD以及P_e＝P_FA+P_MD，可得错误检测概率为以下两种情况：

或

其中，式中各参数分别为

P_max为人工噪声的最大发送功率；

上述两种情形下的最小错误检测概率分别为：当ω₂≥ω₃时，min(P_e)＝1-P_tL_tw|h_tw|²/P_maxL_bw|h_bw|²；当ω₂≤ω₃时,min(P_e)＝0；对公式(1)进行分析，转化为

计算得出平均最小错误检测概率AMEP为

(2.2)当全双工基站FD-BS的发送天线N≥2时，窃听者Willie的相应虚警概率为：

窃听者Willie的漏警概率为

其中，h_bw为全双工基站FD-BS和窃听者Willie之间的小规模衰落向量；x_b＝W_ANx_AN为人工噪声信号，将其设计为W_ANh_br＝0，W_AN为权重向量，h_br为全双工基站FD-BS和接收者DR之间小规模衰落向量，且||h_bwx_b||²＝||h_bwW_AN||²/(N-1)；此时的错误检测概率P_e(N)等于虚警概率P_FA和漏警概率P_MD之和，求解其对应的最小错误检测概率为：当ω₅≥ω₆时，min[P_e(N)]＝1-P_tL_tw|h_tw|²(N-1)/P_maxL_bw||h_bwW_AN||²；当ω₅≤ω₆时，min[P_e(N)]＝0；其中

此时，将公式(1)展开为

计算得出平均最小错误检测概率AMEP为：

其中，Λ＝P_maxL_bw/P_tL_tw；

所述步骤(3)中吞吐量的详细计算方法为：

(3.1)当全双工基站FD-BS的发送和接收天线满足N＝M＝1时，吞吐量的计算公式为：

其中，

为平均最小错误检测概率AMEP，ε为允许的错误检测概率，P_t为D2D通信链路隐蔽信号的发送功率，θ_d＝R_d(1-P_co)(1-P_do)为D2D通信链路可实现的平均通信速率，R_d为D2D通信链路需求的通信速率，P_co为蜂窝通信链路的中断概率，P_do为D2D通信链路的中断概率，此时具体计算过程如下：

1)求解可实现的平均通信速率；首先，计算蜂窝通信链路的中断概率为P_co＝P{log₂(1+γ_c)}，其中，

为蜂窝通信链路的信号与干扰加噪声比SINR，

为全双工基站FD-BS的剩余自干扰RSI功率，

为全双工基站FD-BS收到的噪声功率，h_cb，L_cb为CU→FD-BS通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_tb，L_tb为DT→FD-BS通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；然后，计算D2D通信链路的中断概P_do＝P{log₂(1+γ_d)}，其中，

为接收者DR的噪声功率，h_tr，L_tr为DT→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_cr，L_cr为CU→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数，h_br，L_br为FD-BS→DR通信链路的小规模衰落参数和大规模衰落参数；通过计算可知，蜂窝通信链路和D2D通信链路的中断概率分别为：

基于公式θ_d＝R_d(1-P_co)(1-P_do)，得

2)求解吞吐量；根据给定的允许错误检测概率ε，公式(2)中AMEP

是关于隐蔽信号发送功率P_t的单调递减函数，计算公式

求解发送者DT的可获得的最大发送功率P_tm(P_tm≤P_tmax)，其中P_tmax为发送者DT自身决定的最大发送功率；采用搜索算法在区间(0，P_tm]内，获得隐蔽信号的最优发送功率

使得公式(5)取得最大值，即求得吞吐量；

(3.2)当全双工基站FD-BS的发送和接收天线满足N≥2，M≥2时，吞吐量的计算采用如下公式：

其中，θ_d(M)为此种情形下可实现的平均通信速率，

为相应的平均最小错误检测概率AMEP，此时具体计算过程如下：

1)求解可实现的平均通信速率θ_d(M)＝R_d(1-P_co)(1-P_do)，蜂窝通信链路SINR为

其中h_tb为DT→FD-BS通信链路的小规模衰落参数向量， 由P_co＝P{log₂(1+γ_c)}，可计算蜂窝通信链路的中断概率

式中W(*)为蕙特克函数，

D2D通信链路的信噪比SNR为

由P_do＝P{log₂(1+γ_d)}，可得

可得可实现的平均通信速率为：

2)当全双工基站FD-BS的发送天线N→∞时，求得平均最小错误检测概率的极限值为

是关于隐蔽信号发送功率P_t的单调函数；根据允许的错误检测概率ε，计算公式

可得发送者DT的最大发送功率P_tm(P_tm≤P_tmax)；进一步采用搜索算法在区间(0，P_tm]内，求解隐蔽信号的最优发送功率

使得公式(7)取得最大值，即吞吐量；否则，在区间(0，P_tmax]区间内满足

的前提下，求解隐蔽信号的最优发送功率

使得公式(7)取得最大值，即吞吐量，其中P_tmax为发送者DT自身决定的最大发送功率。

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