CN113438651A - 基于noma的环境背向散射通信系统的物理层认证方法 - Google Patents
基于noma的环境背向散射通信系统的物理层认证方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法，介绍了三种与下行NOMA相关的物理层认证方案，它们分别是用户共享认证标签的物理层认证方案PLA‑SAT、用户使用独立认证标签的物理层认证方案PLA‑SIT以及用户按时分复用使用认证标签的物理层认证方案PLA‑TDM。在AmBC‑NOMA通信系统中对NOMA用户进行物理层认证分析是本发明的关键。本发明主要分析了在三种物理层认证方案下NOMA用户的鲁棒性。最后，本发明通过计算用户的虚警概率PFA以及检测概率PD进一步分析了系统的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法。
背景技术
近几年来，环境背向散射(AmBC)技术由于其低功耗、低成本及较高的频谱资源利用率，使得它成为了低能量通信系统中一项有前途的技术，而且它能够有效解决传统背向散射(Backscatter)技术带来的一些限制。在AmBC系统中，Backscatter设备可以利用周边射频源的环境信号广播进行相互通信，例如：电视塔、调频塔、蜂窝基站和Wi-Fi接入点。AmBC技术有着较高的包容性，可以与多种其它技术相结合以提高系统性能，例如：非正交多址接入(NOMA)技术、认知无线电、可见光通信、设备到设备(D2D)通信等。虽然使用AmBC技术能够带来很多益处，然而简单地使用AmBC通信可能不足以有效地连接B5G物联网中的大量设备。因此，本发明将NOMA与AmBC技术集成到一个通信系统中，基于NOMA的AmBC通信有望显著改善B5G物联网中的低功耗问题，可以有效地提高频谱效率。在AmBC-NOMA通信系统中，很多学者已经对其进行了研究分析，但关于物理层安全认证的分析目前尚未被研究，研究通信系统的物理层认证指标有助于进一步提高系统的安全性。
身份认证指的是一个验证身份声明的过程。大多数身份验证机制(如：数字签名和证书)存在于物理层之上，但也有一些方案(如扩频通信)存在于物理层。物理层的扩频技术虽然隐蔽且有较高的鲁棒性，但是它是以带宽扩展为代价的，而且这种方案只允许了解秘密且经过验证的各方参加通信。因此，本发明描述的是三种不需要额外带宽的物理层认证方案。这三种方案都是基于下行NOMA系统的物理层认证方案，分别是：用户共享认证标签的物理层认证方案(PLA-SAT)、用户使用独立认证标签的物理层认证方案(PLA-SIT)以及用户按时分复用使用认证标签的物理层认证方案(PLA-TDM)。在物理层认证中的主要分析指标是隐蔽性、鲁棒性和安全性。认证方案的隐蔽性描述的是对于旁观者来说身份验证是多么隐蔽，旁观者不应该检测到信号的异常也不应该检测到由于该方案而造成的自身性能的变化。鲁棒性描述的是认证对干扰的抵抗力。安全性描述的是对手无法发动成功的攻击。
发明内容
基于上述内容，在AmBC-NOMA通信系统中对NOMA用户进行物理层认证分析是本发明的关键。本发明主要分析了在三种物理层认证方案下NOMA用户的鲁棒性。本发明通过计算用户的虚警概率(PFA)以及检测概率(PD)进一步分析了系统的鲁棒性。
本发明采用的技术方案为：一种基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法，设定基于NOMA的AmBC通信网络中包括一个基站S，一个背向散射设备BD，两个NOMA用户：近端用户Dn和远端用户Df以及一个窃听用户E；假设所有设备及用户均为半双工模式且所有节点均配置单天线。
本发明包括以下步骤：
基站S向两个NOMA用户发送叠加信号，信号发送的途径有两条，一条是直接传输，另一条是经过背向散射设备反射后到达NOMA用户；而窃听用户试图在这个过程中让用户拒绝真实的消息或者接受不真实的消息去中断身份验证过程。由于本发明考虑到了三种不同的物理层认证方案。
A1，在PLA-SAT方案下，S发送到BD及NOMA用户的信号有两种情况，一种是普通信号
另一种是带标签的信号
那么远端用户Df接收到的信号分为两部分：
和
其中，PT为基站的发射功率，
和α均为功率分配系数且满足
s1、s2为传输信号且满足s1＝[s1，1，s1，2,…,s1，L]，s2＝[s2，1,s2,2,…,s2,L]；L为符号块的数量；t为标签信号，满足t＝[t1,t2,…,tL]且E(|s1|2)＝E(|s2|2)＝E(|t|2)＝L；
和
分别是基站到BD，BD到Df，基站到Df之间的信道增益；
其中：k＝{SDf,SDn,SE,s→BD→Df,S→BD→Dn,S→BD→E}；β为反射系数，c(t)为BD自己的消息且E{|c(t)|2}＝1。
表示的分别是从基站到Df，从基站到BD再到Df之间的噪声；它们均为加性复高斯白噪声nk＝[nk,1,nk,2,…,nk,L]，且满足
i＝1,2,…,L。
A2，用户Df处的残差信号为：
通过假设进行阈值检验：
对于NOMA用户来说，当
是真的，但接受了假设
这种情况被称为虚假警报，用PFA表示虚警概率；根据Neyman-Pearson准则，在虚警概率为固定值的情况下要使得检测概率最大；通过对残差信号和认证标签进行匹配滤波，得到远端用户的检验统计量：
所以，(3)式中
分为两种情况：当
条件下为
当
条件下为
如果忽略块衰落信道的估计误差，即
那么Df在假设
和
下的检验统计量分别为：
A3，分析在PLA-SAT方案下Df的鲁棒性：根据式(4)和(5)可以计算出
其中r＝PT/σ2，所以在PLA-SAT方案下的PFA为：
其中，
为用户Df的阈值；然后，给出了Df在最优阈值
下的PFA：
其中，
通过设置
(PFA的上界)去计算最优阈值
当x≤y时，
当x＞y时，满足
A4,根据A3中的最优阈值，对于一个固定信道，Df的PD为
所以对于一个零均值复高斯信道来说，Df的PD为
经过计算，Df的PD分为两种情况：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
A5，近端用户Dn接收到的信号也可以分为两部分：
和
其中
分别为基站到BD、BD到Dn之间的信道增益；
表示的分别是从基站到Dn，从基站到BD再到Dn之间的噪声。
A6，根据A5可知，用户Dn处的残差信号为：
那么类似Df：
A7，所以PLA-SAT方案下Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
最优阈值
也可以分为两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
A8，窃听用户E接收到的信号：
其中，hSE、hBE分别表示基站到窃听者、BD到窃听者之间的信道增益；nSE、nS→BD→E表示的分别是从基站到E，从基站到BD再到E之间的噪声。
A9，当用户E窃听远端用户Df时，
当用户E窃听远端用户Dn时：
A10，根据A9，PLA-SAT方案下用户E窃听Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
最优阈值
也可以分为以下几种情况：
当x≤y且
时，
当x≤y且
时，
当x＞y且
时，满足
x＞y且
时，满足
A11，PLA-SAT方案下用户E窃听Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
最优阈值
也可以分为以下几种情况：
当x≤y且
时，
当x≤y且
时，
当x＞y且
时，满足
当x＞y且
时，满足
B1,在PLA-SIT方案下，带标签的信号为
其中，
和α1、α2均为功率分配系数且
t1、t2均为标签信号。t1＝[t1,1,t1,2,…,t1,L]，t2＝[t2,1,t2,2,…,t2,L]且E(|t1|2)＝E(|t2|2)＝L；用户Df处的残差信号为：
B2，用户Dn处的残差信号为：
所以，H0条件下：
H1条件下：
H0条件下：
H1条件下：
B3，计算了PLA-SIT下用户Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-SIT方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
B4，在PLA-SIT方案下，用户Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-SIT方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
C1，在PLA-TDM方案下，带标签的信号为
其中，
和
均为功率分配系数且
t3为标签信号。t3＝[t1；t2]，t1＝[t1,1,t1,2,…,t1,L]，t2＝[t2,1,t2,2,…,t2,L]且E(|t1|2)＝L1，E(|t2|2)＝L2，L＝L1+L2。
C2，类似于PLA-SAT和PLA-SIT：
H0条件下：
H1条件下：
H0条件下：
H1条件下：
C3，基于C2，PLA-TDM方案下用户Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-TDM方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
C4，PLA-TDM方案下用户Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-TDM方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
本发明产生的有益效果：本发明提供的基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方案，在AmBC-NOMA系统中考虑了其物理层的安全认证问题，对该系统在三种物理层认证方案下的PD进行了详细地分析，这为AmBC设备的进一步发展提供了一定程度的参考意义。
附图说明
图1为本发明的系统模型图；
图2为本发明的三种物理层认证方案中PLA-SAT方案图；
图3为本发明的三种物理层认证方案中PLA-SIT方案图；
图4为本发明的三种物理层认证方案中PLA-TDM方案图；
图5为本发明的详细流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明是一种基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法，基站S向两个NOMA用户发送叠加信号，信号发送的途径有两条，一条是直接传输，另一条是经过背向散射设备BD反射后到达NOMA用户。而窃听用户E试图在这个过程中让用户拒绝真实的消息或者接受不真实的消息去中断身份验证过程。
由于本发明考虑到了三种不同的物理层认证方案，均通过如图4所示的流程进行计算。
方案1：
如图2所示，在PLA-SAT方案下，基站S发送到BD及NOMA用户的信号有两种情况，一种是普通信号
另一种是带标签的信号
那么远端用户Df接收到的信号分为两部分：
和
其中，PT为基站的发射功率，
和α均为功率分配系数且满足
s1、s2为传输信号且满足s1＝[s1,1,s1,2,…,s1,L]，s2＝[s2,1,s2,2,…,s2,L]，L为符号块的数量，t为标签信号，满足t＝[t1,t2,…,tL]且E(|s1|2)＝E(|s2|2)＝E(|t|2)＝L，hSB、
和
分别是基站到BD，BD到Df，基站到Df之间的信道增益。它们均服从瑞利分布，即
其中：k＝{SDf,SDn,SE,S→BD→Df,S→BD→Dn,S→BD→E}。β为反射系数，c(t)为BD自己的消息且E{|c(t)|2}＝1。
表示的分别是从基站到Df，从基站到BD再到Df之间的噪声。它们均为加性复高斯白噪声nk＝[nk,1,nk,2,…,nk,L]，且满足
i＝1,2,…,L。
根据上述可得，用户Df处的残差信号为：
本发明用下面的假设进行阈值检验：
对于NOMA用户来说，当
是真的，但接受了假设
这种情况被称为虚假警报，用PFA表示虚警概率。根据Neyman-Pearson准则，在虚警概率为固定值的情况下要使得检测概率最大。通过对残差信号和认证标签进行匹配滤波，得到远端用户的检验统计量：
所以，(3)式中
分为两种情况：当
条件下为
当
条件下为
如果忽略块衰落信道的估计误差，即
那么Df在假设
和
下的检验统计量分别为：
根据上述内容，分析在PLA-SAT方案下Df的鲁棒性。根据式(4)和(5)可以计算出
其中r＝PT/σ2，所以在PLA-SAT方案下的PFA为：
其中，
为用户Df的阈值。
Df在最优阈值
下的PFA：
其中，
通过设置
(PFA的上界)去计算最优阈值
当x≤y时，
当x＞y时，满足
根据上述的最优阈值，对于一个固定信道，Df的PD为
所以对于一个零均值复高斯信道来说，Df的PD为
经过计算，Df的PD分为两种情况：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
近端用户Dn接收到的信号也可以分为两部分：
和
其中
分别为基站到BD、BD到Dn之间的信道增益；
表示的分别是从基站到Dn，从基站到BD再到Dn之间的噪声。
由上述计算可得，用户Dn处的残差信号为：
那么类似Df：
所以PLA-SAT方案下Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中
最优阈值
也可以分为两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
同理，窃听用户E接收到的信号：
其中，hSE、hBE分别表示基站到窃听者、BD到窃听者之间的信道增益；nSE、nS→BD→E表示的分别是从基站到E，从基站到BD再到E之间的噪声。
当用户E窃听远端用户Df时，
当用户E窃听远端用户Dn时：
因此，PLA-SAT下用户E窃听Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
最优阈值
也可以分为以下几种情况：
当x≤y且
时，
当x≤y且
时，
当x＞y且
时，满足
x＞y且
时，满足
同理，PLA-SAT下用户E窃听Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
最优阈值
也可以分为以下几种情况：
当x≤y且
时，
当x≤y且
时，
当x＞y且
时，满足
当x＞y且
时，满足
方案2：
如图3所示，在PLA-SIT方案下，带标签的信号为
其中，
和α1、α2均为功率分配系数且
t1、t2均为标签信号。t1＝[t1,1,t1,2,…,t1,L]，t2＝[t2,1,t2,2,…,t2,L]且E(|t1|2)＝E(|t2|2)＝L。用户Df处的残差信号为：
用户Dn处的残差信号为：
所以，H0条件下：
H1条件下：
H0条件下：
H1条件下：
因此，在PLA-SIT方案下，用户Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-SIT方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
在PLA-SIT方案下，用户Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-SIT方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
方案3：
如图4所示，在PLA-TDM方案下，带标签的信号为
其中，
和α3均为功率分配系数且
t3为标签信号。t3＝[t1；t2]，t1＝[t1,1,t1,2,…,t1,L]，t2＝[t2,1,t2,2,…,t2,L]且E(|t1|2)＝L1，E(|t2|2)＝L2，L＝L1+L2。
类似于PLA-SAT和PLA-SIT：
H0条件下：
H1条件下：
H0条件下：
H1条件下：
因此，在方案PLA-TDM下，用户Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-TDM方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
PLA-TDM下用户Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-TDM方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
Claims (1)
1.一种基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法，设定基于NOMA的AmBC通信网络中包括一个基站S，一个背向散射设备BD，两个NOMA用户：近端用户Dn和远端用户Df以及一个窃听用户E；假设所有设备及用户均为半双工模式且所有节点均配置单天线，其特征在于，包括PLA-SAT、PLA-SIT和PLA-TDM三种方案：
A1，在PLA-SAT方案下，S发送到BD及NOMA用户的信号为普通信号
或带标签的信号
那么远端用户Df接收到的信号分为两部分：
和
其中，PT为基站的发射功率，
和α均为功率分配系数且满足
s1、s2为传输信号且满足s1＝[s1，1，s1，2，...，s1，L]，s2＝[s2，1，s2，2，...，s2，L]；L为符号块的数量；t为标签信号，满足t＝[t1，t2，...，tL]且E(|s1|2)＝E(|s2|2)＝E(|t|2)＝L；hSB、
和
分别是基站到BD，BD到Df，基站到Df之间的信道增益；
其中：k＝{SDf，SDn，SE，S→BD→Df，S→BD→Dn，S→BD→E}；β为反射系数，c(t)为BD自己的消息且
表示的分别是从基站到Df，从基站到BD再到Df之间的噪声；它们均为加性复高斯白噪声nk＝[nk，1，nk，2，...，nk，L]，且满足
A2，用户Df处的残差信号为：
通过假设进行阈值检验：
对于NOMA用户来说，当
是真的，但接受了假设
这种情况为虚假警报，用PFA表示虚警概率；根据Neyman-Pearson准则，在虚警概率为固定值的情况下要使得检测概率最大；通过对残差信号和认证标签进行匹配滤波，得到远端用户的检验统计量：
所以，(3)式中
分为两种情况：
当
条件下为
当
条件下为
如果忽略块衰落信道的估计误差，即
那么Df在假设
和
下的检验统计量分别为：
A3，分析在PLA-SAT方案下Df的鲁棒性：根据式(4)和(5)可以计算出
其中r＝PT/σ2，所以在PLA-SAT方案下的PFA为：
其中，
为用户Df的阈值；然后，给出了Df在最优阈值
下的PFA：
其中，
通过设置
(PFA的上界)去计算最优阈值
当x≤y时，
当x＞y时，满足
A4,根据A3中的最优阈值，对于一个固定信道，Df的PD为
所以对于一个零均值复高斯信道来说，Df的PD为
经过计算，Df的PD分为两种情况：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
A5，近端用户Dn接收到的信号分为两部分：
和
其中
分别为基站到BD、BD到Dn之间的信道增益；
表示的分别是从基站到Dn，从基站到BD再到Dn之间的噪声；
A6，根据A5可知，用户Dn处的残差信号为：
那么类似Df：
A7，所以PLA-SAT方案下Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
最优阈值
分为两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
A8，窃听用户E接收到的信号：
其中，
分别表示基站到窃听者、BD到窃听者之间的信道增益；nSE、nS→BD→E表示的分别是从基站到E，从基站到BD再到E之间的噪声；
A9，当用户E窃听远端用户Df时，
当用户E窃听远端用户Dn时：
A10，根据A9，PLA-SAT方案下用户E窃听Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
最优阈值
分为以下几种情况：
当x≤y且
时，
当x≤y且
时，
当x＞y且
时，满足
x＞y且
时，满足
A11，PLA-SAT方案下用户E窃听Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
最优阈值
分为以下几种情况：
当x≤y且
时，
当x≤y且
时，
当x＞y且
时，满足
当x＞y且
时，满足
B1，在PLA-SIT方案下，带标签的信号为
其中，
和α1、α2均为功率分配系数且
t1、t2均为标签信号；t1＝[t1，1，t1，2，...，t1，L]，t2＝[t2，1，t2，2，...，t2，L]且E(|t1|2)＝E(|t2|2)＝L；用户Df处的残差信号为：
B2，用户Dn处的残差信号为：
所以，H0条件下：
H1条件下：
H0条件下：
H1条件下：
B3，计算了PLA-SIT下用户Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-SIT方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
B4，在PLA-SIT方案下，用户Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-SIT方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
C1，在PLA-TDM方案下，带标签的信号为
其中，
和α3均为功率分配系数且
t3为标签信号；t3＝[t1；t2]，t1＝[t1,1,t1,2,…,t1,L]，t2＝[t2,1,t2,2,…,t2,L]且E(|t1|2)＝L1，E(|t2|2)＝L2，L＝L1+L2；
C2，类似于PLA-SAT和PLA-SIT：
H0条件下：
H1条件下：
H0条件下：
H1条件下：
C3，基于C2，PLA-TDM方案下用户Df的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-TDM方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
C4，PLA-TDM方案下用户Dn的PD为：
当x≤y时：
当x＞y时：
其中：
在PLA-TDM方案下，最优阈值
分为下面两种情况：
当x≤y时，
当x＞y时，满足
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|---|---|---|---|
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