CN111586679B - 一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法 - Google Patents

一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，发送端Alice采用NOMA技术向多个合法接收端Bobi广播信息，i＝1,2…K，K是接收机的数目，窃听端Eve窃听信息；接收端Bobi接收信号后，每个接收端Bobi利用连续干扰消除技术对自己的信息进行解码得到接收端Bobi的安全传输速率，估计CSI，并将量化的CSI反馈给发送端Alice，得到返回接收端Bobi的安全传输速率，实现有限反馈安全传输。

Description

一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法。
背景技术
非正交多址接入(NOMA)通过为多个用户提供相同频谱的传输，极大地缓解了频谱短缺的情况。在NOMA网络中，发射机通过功率叠加技术将多个信号广播到不同的接收机，这使得NOMA用户容易受到恶意窃听。此外，如果窃听者冒充NOMA用户共享同一信道，则NOMA网络的保密性能可能会更差。由于上层加密方法的复杂性和密钥生成和共享的难度，特别是对于大量用户的场景，物理层安全利用无线信道固有的随机性来保护隐私信息，是一种可供选择的安全传输方式。
考虑到资源分配在开发NOMA网络的潜在性能增益方面的关键作用，目前也有方案对NOMA用户传输组播和单播信息的发射功率进行了优化分配，其中单播信号的信息安全由组播信号来保护。然而，上述工作中合法信道的完美CSI会增加反馈开销，特别是在用户数量较大的情况下。而且，在实际应用中，NOMA网络很难获得完美的CSI，传输完美的CSI比有限的CSI需要更长的时间，这将减少信息的传输时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，发射机采用NOMA技术向多个接收机广播信息；每个接收机估计其CSI，并将量化的CSI反馈给发射机以减少反馈开销，对于有限的反馈，研究每个NOMA接收机的保密率，然后优化分配发射功率以最大化NOMA接收机的最小保密率，分析保密中断概率和传输中断概率，给出闭合表达式，并分析安全性和可靠性之间的权衡，开销较小，易于实现。
本发明采用以下技术方案：
一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，包括以下步骤：
S1、发送端Alice采用NOMA技术向多个合法接收端Bobi广播信息，i＝1,2…K，K是接收机的数目，窃听端Eve窃听信息；
S2、接收端Bobi接收信号后，每个接收端Bobi利用连续干扰消除技术对自己的信息进行解码得到接收端Bobi的安全传输速率，估计CSI，并将量化的CSI反馈给发送端Alice，得到返回接收端Bobi的安全传输速率，实现有限反馈安全传输。
具体的，步骤S1中，发送端采用信号叠加技术将私密信息xa处理为：
Figure BDA0002442768640000021
其中，αi是Bobi处的功率分配系数，Pa为发送端总的传输功率，xi是Bobi的目标信号且
Figure BDA0002442768640000022
具体的，步骤S2中，接收端Bobi处的接收信号yi为：
Figure BDA0002442768640000023
其中，
Figure BDA0002442768640000024
为Alice到Bobi的信道系数，ni是Bobi处的接收噪声。
具体的，步骤S2中，有限反馈安全传输的传输中断概率Pco,i为
Figure BDA0002442768640000025
其中，Pso,i为安全中断概率，Rb和Rs分别为目标传输速率和安全传输速率，n为用户数，Q＝2M，M为反馈比特数，αi为Alice分配给用户Bobi功率分配因子Alice分配给用户Bobi功率分配因子，
Figure BDA00024427686400000311
为Alice到Bobi的信道的方差，λae为Alice到Eve的信道的方差，αk为Alice分配给用户Bobk功率分配因子。
具体的，步骤S2中，接收端Bobi利用连续干扰消除技术对接收信息进行解码的安全传输速率
Figure BDA0002442768640000031
为：
Figure BDA0002442768640000032
其中，(a)+＝max(0,a)，Ri为信息速率，
Figure BDA0002442768640000033
为窃听速率。
进一步的，信息速率Ri为：
Figure BDA0002442768640000034
窃听速率
Figure BDA0002442768640000035
为：
Figure BDA0002442768640000036
其中，Pa为Alice的发射功放，α为Alice分配给用户BobK功率分配因子，
Figure BDA0002442768640000037
为发送端Alice到接收端Bobi的信道功率增益，
Figure BDA0002442768640000038
为发送端Alice到接收端BobK的信道功率增益，
Figure BDA0002442768640000039
是发送端到窃听端Eve的信道功率增益。
具体的，步骤S2中，CSI反馈使用M比特，且存在Q＝2M个量化间隔，利用最小欧几里德距离量化准则，将发送端Alice到接收端Bobi的信道功率增益
Figure BDA00024427686400000310
量化为：
Figure BDA0002442768640000041
其中，
Figure BDA0002442768640000042
是量化码书，并且信道质量以相同的概率
Figure BDA0002442768640000043
落入每个量化区间。
进一步的，接收端Bobi处的信息速率
Figure BDA0002442768640000044
为：
Figure BDA0002442768640000045
其中，
Figure BDA0002442768640000046
Pa为Alice的发射功放，α为Alice分配给用户BobK功率分配因子。
更进一步的，接收端Bobi有限反馈情况下的保密率
Figure BDA0002442768640000047
为：
Figure BDA0002442768640000048
其中，
Figure BDA0002442768640000049
为接收端Bobi处的信息速率，
Figure BDA00024427686400000410
为窃听速率。
具体的，步骤S2中，接收端Bobi经历安全中断的概率Pso为：
Figure BDA00024427686400000411
接收端Bobi经历传输中断的概率Pco为：
Figure BDA00024427686400000412
其中，Pco,i为传输中断概率，Pso,i为安全中断概率。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明公开的一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，发射机采用NOMA技术向多个接收机广播信息；为了减少反馈开销，每个接收机估计其CSI，并将量化的CSI反馈给发射机。对于有限的反馈，首先研究每个NOMA接收机的保密率，然后优化分配发射功率以最大化NOMA接收机的最小保密率，通过分析安全性和可靠性之间的权衡。数值结果验证了分析结果，并证明了所给方案在减少开销的同时，保密性能仍保持较高水平，方法开销较小，易于实现。
进一步的，通过信号叠加技术，单播信号的信息安全由组播信号来保护。
进一步的，通过分析高信噪比情况下的渐近性能，推导传输中断概率和安全中断概率的折中公式，为网络合理利用资源提供依据。
进一步的，为了减少网络开销，我们假设CSI反馈使用M比特，并且存在Q＝2M个量化间隔，设计返回发送端的量化CSI，通过返回发送端的量化CSI，可得到接收机处的安全传输速率，这为网络的设计及分析提供了依据。
进一步的，在得出在量化CSI的基础上计算出来的接收机处的传输中断概率的闭式表达式，这可以直观地反映网络发送端到接收端信息的传输性能，为网络设计提供依据。
进一步的，得出在量化CSI的基础上计算出来的接收机处的安全中断概率的闭式表达式，这可以直观地反映网络发送端到接收端信息的传输性能，为网络设计提供依据。
综上所述，本发明减少了反馈开销的同时，保密性能仍保持较高水平。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于NOMA的有限反馈安全传输方案的系统模型图；
图2为发送端总的传输功率对系统性能影响的仿真图，其中，(a)传输中断和安全中断概率与传输功率的关系仿真图，(b)保密率与目标发射功率的关系仿真图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供了一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，发射机采用NOMA技术向多个接收机广播信息。为了减少反馈开销，每个接收机估计其CSI，并将量化的CSI反馈给发射机。对于有限的反馈，首先研究每个NOMA接收机的保密率，然后优化分配发射功率以最大化NOMA接收机的最小保密率。此外，分析保密中断概率和传输中断概率，并给出了它们的闭合表达式。分析安全性和可靠性之间的权衡。数值结果验证了分析结果，并证明了所给方案在减少开销的同时，保密性能仍保持较高水平。
本发明一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，包括以下步骤：
S1、发送端Alice采用NOMA技术向多个合法接收端Bobi广播信息，i＝1,2…K，窃听端Eve窃听信息；
发送端采用信号叠加技术将私密信息处理为：
Figure BDA0002442768640000061
其中，K是接收机的数目，αi是接收端Bobi处的功率分配系数，Pa为发送端总的传输功率，xi是接收端Bobi的目标信号且
Figure BDA0002442768640000062
S2、在接收信号后，每个接收机利用连续干扰消除(SIC)技术对自己的信息进行解码，估计其CSI，并将量化的CSI反馈给发送端Alice。
接收机Bobi处的接收信号为：
Figure BDA0002442768640000063
其中，
Figure BDA0002442768640000064
为发送端Alice到接收端Bobi的信道系数，ni是接收端Bobi处的接收噪声。
接收机采用SIC技术对所接收的信息进行解码(其中假设|h1|2＜|h2|2＜…＜|hK|2)，因此接收端Bobi处的信息速率为：
Figure BDA0002442768640000071
其中，
Figure BDA0002442768640000072
是发送端Alice到接收端Bobi的信道功率增益，且窃听速率为：
Figure BDA0002442768640000073
其中，
Figure BDA0002442768640000074
是接收端到窃听端Eve的信道功率增益。
接收端Bobi的安全传输速率为：
Figure BDA0002442768640000075
其中(a)+＝max(0,a)。
为了减少网络开销，假设CSI反馈使用M比特，并且存在Q＝2M个量化间隔。
利用最小欧几里德距离量化准则，将
Figure BDA0002442768640000076
的量化值表示为：
Figure BDA0002442768640000077
其中，
Figure BDA0002442768640000078
是量化码书，并且信道质量以相同的概率
Figure BDA0002442768640000079
落入每个量化区间。
由于存在有限的量化间隔，因此可能存在两个或更多信道落入相同的量化间隔。对于这种情况，随机排列解码顺序，这表明在相同量化间隔的信道中传输的信息将以相同的概率被解码，因此接收端Bobi处的信息速率为：
Figure BDA0002442768640000081
其中，
Figure BDA0002442768640000082
对于窃听者，假设瞬时窃听CSI是可用的，并且窃听速率为
Figure BDA0002442768640000083
因此，有限反馈情况下的保密率为：
Figure BDA0002442768640000084
由于接收机将量化值反馈给发送端Alice，因此可能存在两个或更多信道落入相同的量化间隔，其中n个用户共享相同量化间隔的概率为：
Figure BDA0002442768640000085
对于同一量化区间内的n个用户，用户接收端Bobi的期望信号均以概率
Figure BDA0002442768640000086
按任意顺序解码，接收端Bobi经历传输中断的概率
Figure BDA0002442768640000087
为：
Figure BDA0002442768640000088
其中，发送端Alice到接收端Bobi的信道功率增益服从参数为
Figure BDA00024427686400000810
的指数分布，Rb和Rs分别为目标传输速率和安全传输速率。
由上式可得传输中断概率为：
Figure BDA0002442768640000089
窃听端Eve采用与合法接收端Bobi相同的解码顺序，因此接收端Bobi经历安全中断的概率为：
Figure BDA0002442768640000091
其中，发送端Alice到窃听端Eve的信道功率增益服从参数为λae的指数分布，由上式可得安全中断概率为：
Figure BDA0002442768640000092
由于保密中断概率和传输中断概率的闭合表达式相当复杂，分析高信噪比情况下的渐近性能，并推导了折中公式。当
Figure BDA0002442768640000093
传输中断概率可近似为：
Figure BDA0002442768640000094
安全中断概率近似为：
Figure BDA0002442768640000095
综上所述，安全和可靠性的折中表示为：
Figure BDA0002442768640000096
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
仿真验证
1、从图2(a)中可以看出，所给方案的传输中断概率和安全中断概率和完美CSI场景下得到的十分相近。传输中断概率将随着Pa的增加而减少。这是因为当Alice有更多的功率时，信息可以高概率地可靠地传输。
然而，当Pa值较大时，Eve会接收到信干噪比较高的隐私信息。因此，安全中断概率将随着Pa的增加而增加。M的增加表明我们可以获得更多关于CSI的信息，并且Alice可以优化分配发射功率。因此，传输中断概率和安全中断概率将会降低。
另外，当用户数量增加时，Alice满足所有用户服务质量要求的能力有限，安全中断概率和传输中断概率都会增加。
2、从图2(b)中可以看出，所给方案的保密率和完美CSI场景下得到的十分相近。此外，随着Pa的增大，Alice有更大的能力可靠、安全地传输隐私信息，保密率将会增加。M的增加表明我们可以获得更多关于CSI的信息，以便进行最优功率分配。因此，保密率将会提高。另外，当用户数量增加时，Alice的有限功率将制约保密率的提高。
综上所述，本发明一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，使用有限反馈机制来减轻网络的反馈负担，同时采用NOMA技术来提升网络的传输效率。为了最优的分配功率，我们形成了相应的优化问题，并最优求解。同时，我们也分析了网络的传输中断概率和安全中断概率并得到闭式解，这为工程应用提供了依据。仿真结果证明了本发发明结果的正确性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、发送端Alice采用NOMA技术向多个合法接收端Bobi广播信息，i＝1,2…K，K是接收端Bobi的数目，窃听端Eve窃听信息；
S2、接收端Bobi接收信号后，每个接收端Bobi利用连续干扰消除技术对自己的信息进行解码得到接收端Bobi的安全传输速率，估计CSI，并将量化的CSI反馈给发送端Alice，得到返回接收端Bobi的安全传输速率，实现有限反馈安全传输；
接收端Bobi处的信息速率Ri为：
Figure FDA0003259058210000011
窃听速率
Figure FDA0003259058210000012
为：
Figure FDA0003259058210000013
其中，
Figure FDA0003259058210000014
为Eve对Bobk进行窃听时发送端Alice到Eve的信道功率增益，
Figure FDA0003259058210000015
为Eve对BobK进行窃听时发送端Alice到Eve的信道功率增益，αk为Alice分配给用户BobK功率分配因子，Pa为发送端Alice的发射功率，αK为发送端Alice分配给用户BobK功率分配因子，
Figure FDA0003259058210000016
为发送端Alice到接收端Bobk的信道功率增益，
Figure FDA0003259058210000017
为发送端Alice到Bobi的信道功率增益，
Figure FDA0003259058210000018
为发送端Alice到接收端BobK的信道功率增益，
Figure FDA0003259058210000019
是发送端到窃听端Eve的信道功率增益；
接收端Bobi利用连续干扰消除技术对接收信息进行解码得到接收端Bobi的安全传输速率
Figure FDA00032590582100000110
为：
Figure FDA00032590582100000111
其中，(a)+＝max(0,a)，
Figure FDA0003259058210000021
为窃听速率；
CSI反馈使用M比特，且存在Q＝2M个量化间隔，利用最小欧几里德距离量化准则，将发送端Alice到接收端Bobi的信道功率增益
Figure FDA0003259058210000022
量化为：
Figure FDA0003259058210000023
其中，
Figure FDA0003259058210000024
为量化码书C中的一个码字，
Figure FDA0003259058210000025
为发送端Alice到Bobi的信道功率增益的量化值，
Figure FDA0003259058210000026
是量化码书，并且信道质量以相同的概率
Figure FDA0003259058210000027
落入每个量化间隔；
量化后接收端Bobi处的信息速率
Figure FDA0003259058210000028
为：
Figure FDA0003259058210000029
其中，
Figure FDA00032590582100000210
为
Figure FDA00032590582100000220
的量化值，
Figure FDA00032590582100000211
为
Figure FDA00032590582100000212
的量化值，
Figure FDA00032590582100000213
αk为Alice分配给用户BobK功率分配因子，αi为Bobi的功率分配系数；
接收端Bobi有限反馈情况下的保密率
Figure FDA00032590582100000214
为：
Figure FDA00032590582100000215
其中，
Figure FDA00032590582100000216
为接收端Bobi处的信息速率，
Figure FDA00032590582100000217
为窃听速率；
有限反馈安全传输的传输中断概率Pco,i为
Figure FDA00032590582100000218
其中，Pso,i为安全中断概率，Rb和Rs分别为目标传输速率和接收端Bobi的安全传输速率，n为共享相同量化间隔的Bobi用户数，Q＝2M，M为反馈比特数，αi为Alice分配给用户Bobi功率分配因子，
Figure FDA00032590582100000219
为Alice到Bobi的信道的方差，λae为Alice到Eve的信道的方差，αk为Alice分配给用户Bobk功率分配因子；
接收端Bobi经历安全中断的概率Pso为：
Figure FDA0003259058210000031
接收端Bobi经历传输中断的概率Pco为：
Figure FDA0003259058210000032
其中，Pco,i为传输中断概率，Pso,i为安全中断概率。
2.根据权利要求1所述的基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，其特征在于，步骤S1中，发送端采用信号叠加技术将私密信息xa处理为：
Figure FDA0003259058210000033
其中，xi是Bobi的目标信号。
3.根据权利要求1所述的基于有限反馈非正交多址网络的安全保障方法，其特征在于，步骤S2中，接收端Bobi处的接收信号yi为：
Figure FDA0003259058210000034
其中，
Figure FDA0003259058210000035
为Alice到Bobi的信道系数，ni是Bobi处的接收噪声，xi为Alice发送给Bobi的目标信号。
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基于有限反馈的NOMA与SWIPT合作传输技术研究;张春秀;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20200131;第I136-825页 *

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