CN112312363B - 一种d2d通信系统中物理层防窃听的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种D2D通信系统中物理层防窃听的方法，包括以下步骤：在每次传输开始之前，D2D用户D₁、D2D用户D₂及蜂窝用户CUE的信号星座点均先经过信号星座旋转操作后再进行信息发送D2D通信系统的每一帧传输均由两个阶段构成，其中，在第一阶段，蜂窝用户CUE发送其信号至基站BS，D2D用户D₁发送其信号至D2D用户D₂，D2D用户D₂利用最大似然信号检测算法恢复D2D用户D₁发送的信号；在第二阶段，D2D用户D₂转发第一阶段接收到的信号，与此同时，D2D用户D₁发送人工噪声信号；在第二阶段结束时，基站BS对上述两个阶段接收到的信号进行合并，然后利用最大似然信号检测算法恢复出蜂窝用户CUE发送的信号，该系统能够有效保障D2D通信系统中物理层的防窃听能力。

Description

一种D2D通信系统中物理层防窃听的方法

技术领域

本发明属于无线通信安全技术领域，涉及一种D2D通信系统中物理层防窃听的方法。

背景技术

随着移动多媒体、社交网络、车联网等新型应用的不断涌现，用户对通信系统服务质量的要求也与日俱增。然而，传统的蜂窝通信技术依赖于集中式的网络架构，移动设备必须通过基站实现通信。在设备数量众多、服务请求巨大的情况下，这种单一的通信模式会显著增加基站负荷并造成网络拥塞。为此，终端直通(Device-to-Device,D2D)技术应运而生。在D2D系统中，距离较近的移动设备可以直接进行点对点传输，而不必经由基站中转，从而有效实现了蜂窝网络数据的分流，并且提升了系统的频谱效率，扩大了网络的覆盖范围。由于上述优势，D2D技术已受到学术界和工业界的普遍关注，被认为是下一代蜂窝网络的关键技术之一。

由于无线信道的开放性，D2D系统中的设备在传输过程中，其空口信号有可能被恶意的窃听者截获，从而造成信息泄露。因为，安全问题是D2D通信系统所面临的重要挑战之一。作为对传统的基于上层加密的安全机制的一种补充，物理层技术利用信号设计和信号处理方法实现无线系统安全，近年来逐步成为无线通信和信息安全领域的研究热点。已有的物理层安全技术多依赖于人工噪声注入或多天线预编码/波束成型，为了实现安全性需要更多的资源消耗或者更高的系统实现复杂度，从而难以适用于物联网等应用场景；此外，已有方案忽视了信号内部结构在提升系统安全性方面的作用。我们可以通过对发送信号的形式加以优化设计，从而充分利用信号空间内在的正交性同时实现信息的可靠和安全传输。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种D2D通信系统中物理层防窃听的方法，该系统能够有效保障D2D通信系统中物理层的防窃听能力。

为达到上述目的，本发明所述的D2D通信系统中物理层防窃听的方法，所述D2D通信系统包括基站BS、蜂窝用户CUE及两个D2D用户D₁和D₂，包括以下步骤：

在每次传输开始之前，D2D用户D₁、D2D用户D₂及蜂窝用户CUE的信号星座点均先经过信号星座旋转操作后再进行信息发送；

D2D通信系统的每一帧传输均由两个阶段构成，其中，在第一阶段，蜂窝用户CUE发送其信号至基站BS，D2D用户D₁发送其信号至D2D用户D₂，D2D用户D₂利用最大似然信号检测算法恢复D2D用户D₁发送的信号；在第二阶段，D2D用户D₂转发第一阶段接收到的信号，与此同时，D2D用户D₁发送人工噪声信号；在第二阶段结束时，基站BS对上述两个阶段接收到的信号进行合并，然后利用最大似然信号检测算法恢复出蜂窝用户CUE发送的信号。

信号星座旋转角度θ的设计准则为：

令u∈χ表示原始的信号星座，则旋转后的信号星座表示为x＝e^jθu，其中，θ为旋转角度，θ的取值能够使得旋转后的星座集合中任意两个不同星座点的同相分量以及正交分量均不相同，即对任何星座点索引号i≠k，则有：

其中，xⁱ，x^k∈e^jθX表示旋转后的星座集合中的任意两个星座点，

表示取实部操作，

表示取虚部操作。

第一阶段在实现过程中，设D2D用户D₁信息的信号为x_t，D2D用户D₁构造复信号，该复信号的实部为人工噪声w_t，虚部为x_t的实部，为补偿信道相位对信号传输的影响，D2D用户D₁将复信号乘以复指数因子，得待发送信号为：

其中，P表示发送功率，j表示虚单位，h_tr表示D2D用户D₁和D₂之间的信道系数，∠h_tr表示h_tr的相位。

第一阶段在实现过程中，设蜂窝用户CUE信息的信号为x_c，则蜂窝用户CUE的发送信号为：

其中，h_cr表示蜂窝用户CUE和D2D用户D₂之间的信道系数，∠h_cr表示∠h_cr的相位。

第一阶段在实现过程中，D2D用户D₂接收到的信号为：

其中，|·|表示取绝对值，w_D表示D2D用户D₂的加性高斯白噪声，为恢复D2D用户D₁的信号，D2D用户D₂提取接收信号的虚部，得

然后利用最大似然检测算法实现信号的恢复。

第一阶段的在实现过程中，蜂窝基站BS的接收信号为：

其中，h_cB和h_tB分别表示蜂窝用户CUE和基站BS、D2D用户D₁和基站BS之间的信道系数,

表示第一阶段基站BS处的加性高斯白噪声，在第一阶段，基站BS不对接收信号做任何处理。

第二阶段在实现过程中，D2D用户D₂通过放大转发的方式转发其在第一阶段收到的信号，其中，D2D用户D₂发送信号的形式为：

其中，α为功率归一化系数，N₀为噪声方差，与此同时，D2D用户D₁重发第一阶段发送过的人工噪声w_t。

第二阶段在实现过程中，蜂窝基站BS接收到的信号为：

其中，h_rB和h_tB分别表示D2D用户D₂和基站BS、D2D用户D₁和基站BS之间的信道系数,

表示第二阶段基站BS处的加性高斯白噪声。基站BS根据式(6)及式(9)消去人工噪声w_t，然后利用最大似然算法实现对D2D用户D₁发送的信号进行检测。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的D2D通信系统中物理层防窃听的方法在具体操作时，在每次传输开始之前，D2D用户D₁、D2D用户D₂及蜂窝用户CUE的信号星座点均先经过信号星座旋转操作后再进行信息发送，从而在注入人工噪声的同时传输有用信号；另外，D2D通信系统的每一帧传输均由两个阶段构成，使得人工噪声信号只对窃听者的信号接收产生干扰，而对合法用户不产生影响，保障D2D通信系统中物理层的防窃听能力。

附图说明

图1为本发明的系统模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的D2D通信系统中物理层防窃听的方法，所述D2D通信系统包括基站BS、窃听者E、蜂窝用户CUE及两个D2D用户D₁和D₂，包括以下步骤：

在每次传输开始之前，D2D用户D₁、D2D用户D₂及蜂窝用户CUE的信号星座点均先经过信号星座旋转操作后再进行信息发送；

D2D通信系统的每一帧传输均由两个阶段构成，其中，在第一阶段，蜂窝用户CUE发送其信号至基站BS，D2D用户D₁发送其信号至D2D用户D₂，D2D用户D₂利用最大似然信号检测算法恢复D2D用户D₁发送的信号；在第二阶段，D2D用户D₂转发第一阶段接收到的信号，与此同时，D2D用户D₁发送人工噪声信号；在第二阶段结束时，基站BS对上述两个阶段接收到的信号进行合并，然后利用最大似然信号检测算法恢复出蜂窝用户CUE发送的信号；在第一阶段和第二阶段，窃听者E都会进行窃听，以试图恢复D2D用户D₁的信号。

信号星座旋转角度θ的设计准则为：

令u∈X表示原始的信号星座，则旋转后的信号星座表示为x＝e^jθu，其中，θ为旋转角度，θ的取值使得旋转后的星座集合中任意两个不同星座点的同相分量以及正交分量均不相同，即对任何星座点索引号i≠k，则有：

其中，

表示旋转后的星座集合中的任意两个星座点，

表示取实部操作，

表示取虚部操作。

第一阶段的实现过程为：

设D2D用户D₁信息的信号为x_t，D2D用户D₁构造复信号，该复信号的实部为人工噪声w_t，虚部为x_t的实部，为了补偿信道相位对信号传输的影响，D2D用户D₁将复信号乘以复指数因子，得待发送信号为：

其中，P表示发送功率，j表示虚单位，h_tr表示D2D用户D₁和D₂之间的信道系数，∠h_tr表示h_tr的相位；

设蜂窝用户CUE信息的信号为x_c，则蜂窝用户CUE的发送信号为：

其中，h_cr表示蜂窝用户CUE和D2D用户D₂之间的信道系数，∠h_cr表示∠h_cr的相位；

D2D用户D₂在第一阶段接收到的信号为：

其中，|·|表示取绝对值，w_D表示D2D用户D₂的加性高斯白噪声，为恢复D2D用户D₁的信号，D2D用户D₂提取接收信号的虚部，得

然后利用最大似然检测算法实现信号的恢复，由于在提取信号虚部的过程中，已经去除了人工噪声的干扰，因此D2D用户D₂的信号检测具有较高的可靠性。

窃听者E接收到的信号为：

其中，h_ce和h_te分别表示蜂窝用户CUE和窃听者E之间、D2D用户D₁和窃听者E之间的信道系数,

表示第一阶段窃听者E的加性高斯白噪声，由公式(5)可知，窃听者的接收信号的实部和虚部均受到人工噪声的干扰，因此其检测性能很差，继而有效避免信息泄露；

蜂窝基站BS的接收信号为：

其中，h_cB和h_tB分别表示蜂窝用户CUE和基站BS、D2D用户D₁和基站BS之间的信道系数,

表示第一阶段基站BS处的加性高斯白噪声，在第一阶段，基站BS不对接收信号做任何处理。

第二阶段的实现过程为：

为使蜂窝基站BS能够可靠地解码蜂窝用户CUE发送的信号，同时避免窃听者E截获D2D用户D₁的信息，因此D2D用户D₂通过放大转发的方式转发其在第一阶段收到的信号，其中，D2D用户D₂发送信号的形式为：

其中，α为功率归一化系数，N₀为噪声方差，与此同时，D2D用户D₁重发第一阶段发送过的人工噪声w_t；

蜂窝基站BS接收到的信号为：

其中，h_rB和h_tB分别表示D2D用户D₂和基站BS、D2D用户D₁和基站BS之间的信道系数,

表示第二阶段基站BS处的加性高斯白噪声。基站BS根据式(6)及式(9)消去人工噪声w_t，然后利用最大似然算法实现对D2D用户D₁发送的信号进行检测。

窃听者E接收到的信号为：

其中，h_re表示D2D用户D₂和窃听者E之间的信道系数,

表示第二阶段窃听者E的加性高斯白噪声，将公式(4)、(7)、(8)代入公式(10)可知，人工噪声w_t会同时干扰窃听者E的接收信号的实部和虚部，从而使E难于恢复D2D用户D₁的信息，实现防窃听。

Claims (7)

1.一种D2D通信系统中物理层防窃听的方法，其特征在于，所述D2D通信系统包括基站BS、蜂窝用户CUE及两个D2D用户D₁和D₂，包括以下步骤：

在每次传输开始之前，D2D用户D₁、D2D用户D₂及蜂窝用户CUE的信号星座点均先经过信号星座旋转操作后再进行信息发送；

D2D通信系统的每一帧传输均由两个阶段构成，其中，在第一阶段，蜂窝用户CUE发送其信号至基站BS，D2D用户D₁发送其信号至D2D用户D₂，D2D用户D₂利用最大似然信号检测算法恢复D2D用户D₁发送的信号；在第二阶段，D2D用户D₂转发第一阶段接收到的信号，与此同时，D2D用户D₁发送人工噪声信号；在第二阶段结束时，基站BS对上述两个阶段接收到的信号进行合并，然后利用最大似然信号检测算法恢复出蜂窝用户CUE发送的信号；

第一阶段在实现过程中，设D2D用户D₁信息的信号为x_t，D2D用户D₁构造复信号，该复信号的实部为人工噪声w_t，虚部为x_t的实部，为补偿信道相位对信号传输的影响，D2D用户D₁将复信号乘以复指数因子，得待发送信号为：

其中，P表示发送功率，j表示虚单位，h_tr表示D2D用户D₁和D₂之间的信道系数，∠h_tr表示h_tr的相位。

2.根据权利要求1所述的D2D通信系统中物理层防窃听方法，其特征在于，信号星座旋转角度θ的设计准则为：

令

表示原始的信号星座，则旋转后的信号星座表示为x＝e^jθu，其中，θ为旋转角度，θ的取值能够使得旋转后的星座集合中任意两个不同星座点的同相分量以及正交分量均不相同，即对任何星座点索引号i≠k，则有：

其中，

表示旋转后的星座集合中的任意两个星座点，

表示取实部操作，

表示取虚部操作。

3.根据权利要求1所述的D2D通信系统中物理层防窃听方法，其特征在于，第一阶段在实现过程中，设蜂窝用户CUE信息的信号为x_c，则蜂窝用户CUE的发送信号为：

其中，h_cr表示蜂窝用户CUE和D2D用户D₂之间的信道系数，∠h_cr表示h_cr的相位。

4.根据权利要求1所述的D2D通信系统中物理层防窃听方法，其特征在于，第一阶段在实现过程中，D2D用户D₂接收到的信号为：

其中，|·|表示取绝对值，w_D表示D2D用户D₂的加性高斯白噪声，为恢复D2D用户D₁的信号，D2D用户D₂提取接收信号的虚部，得

然后利用最大似然检测算法实现信号的恢复。

5.根据权利要求1所述的D2D通信系统中物理层防窃听方法，其特征在于，第一阶段的在实现过程中，蜂窝基站BS的接收信号为：

其中，h_cB和h_tB分别表示蜂窝用户CUE和基站BS、D2D用户D₁和基站BS之间的信道系数,

表示第一阶段基站BS处的加性高斯白噪声，在第一阶段，基站BS不对接收信号做任何处理。

6.根据权利要求1所述的D2D通信系统中物理层防窃听方法，其特征在于，第二阶段在实现过程中，D2D用户D₂通过放大转发的方式转发其在第一阶段收到的信号，其中，D2D用户D₂发送信号的形式为：

其中，α为功率归一化系数，N₀为噪声方差，与此同时，D2D用户D₁重发第一阶段发送过的人工噪声w_t。

7.根据权利要求1所述的D2D通信系统中物理层防窃听方法，其特征在于，第二阶段在实现过程中，蜂窝基站BS接收到的信号为：

其中，h_rB和h_tB分别表示D2D用户D₂和基站BS、D2D用户D₁和基站BS之间的信道系数,

表示第二阶段基站BS处的加性高斯白噪声,基站BS根据式(6)及式(9)消去人工噪声w_t，然后利用最大似然算法实现对D2D用户D₁发送的信号进行检测。

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