CN113784321A - 基于noma的d2d通信物理层安全功率分配方法 - Google Patents

基于noma的d2d通信物理层安全功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，属于无线通信技术领域，解决D2D通信在被动窃听下的物理层安全问题，在保证每个D2D用户服务质量的情况下，构建以最大化D2D通信保密率为目标的优化问题。通过优化D2D组发射机DT对DR1及DR2的功率分配，来最大化D2D通信系统的保密率。根据KKT条件，推导出两种情况下的最优功率分配的闭式解，进而通过对比两种情况下的D2D通信系统的保密总速率，得到最终的最优功率分配方法。通过与基于OMA的D2D通信网络的保密率及能量效率对比，所提出的功率分配方法具有更高的保密速率和能量效率。

Description

基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法。
背景技术
随着智能家居、智慧城市、物联网、智能电网等智慧化服务的兴起，未来网络将存在大量配备有限能量的移动终端接入网络。在此背景下，频谱资源的高效利用，能量的有效和重复利用日益受到工业界和学术界的关注。采用正交多址接入(Orthogonal MultipleAccess,OMA)方式的4G无线通信网络接入用户数受限于有限的正交资源，在一定程度上无法满足海量用户的接入。区别于正交多址接入，功率域非正交多址接入(Non-orthogonalmultiple access,NOMA)作为5G关键技术之一，通过功率域来区分不同的用户，允许多个用户共用同一时频资源，具有更高的频谱效率和能量效率。
5G另一关键技术D2D(Device-to-Device)允许两个移动用户之间直接进行通信，无需经过基站或核心网。D2D通信具有如下优势：1)近邻增益，由于绕过基站而减小传输范围从而实现极高的比特率、低延迟和低功耗；2)复用增益，D2D终端与传统蜂窝用户共用同一频谱资源从而提高频谱效率；3)单跳增益，D2D模式下单跳，而不是传统蜂窝模式下的两跳。
研究表明，NOMA技术与D2D通信相结合能够进一步提高频谱效率和能量效率。在安全性方面，D2D通信通常是借助对蜂窝链路的干扰来对抗网络中的窃听者，但D2D链路自身的安全难以保证。将NOMA应用到D2D通信中，又会引入共信道干扰，使得干扰管理更加复杂，在存在窃听者的情况下，对安全性的处理将更加复杂。因此，研究有效的资源分配策略以提高网络的物理层安全具有非常重要的意义。
发明内容
针对由NOMA技术与D2D技术使能的通信网络在被动窃听下的物理层安全问题，提出了一种基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法。本方法在保证每个D2D用户服务质量的情况下，建立D2D通信系统的保密速率最大化问题。根据(Karush-Kuhn-Tucker)KKT条件，推导出两种情况下的最优功率分配的闭式解，进而通过对比两种情况下的D2D通信系统的保密速率大小，得到最终的功率分配方法。与基于OMA的D2D通信网络相比，所考虑的基于NOMA的D2D通信网络在所提出的功率分配方法下具有更高的保密速率和能量效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，该方法适用于NOMA使能的D2D通信系统，该系统包括一个基站BS、一个蜂窝用户c1、一个窃听者Eve和一个D2D用户组，该D2D用户组包含1个D2D发送端DT和2个D2D接收端DR1、DR2；其中，DR1到DT的距离远远小于DR2到DT的距离，DR1为近端用户，具有较强的信道增益，DR2为远端用户，有较弱的信道增益；D2D发送端DT使用NOMA方案与两个D2D接收端DR1、DR2进行通信，窃听者Eve试图窃听D2D发射机DT发射给DR1和DR2的信号，基站BS位于小区中心并且使用OMA技术为蜂窝用户c1服务，D2D组通信复用蜂窝上行链路的频谱资源；
该通信系统的功率分配方法具体包括：
基站获取蜂窝用户c1、D2D接收端DR1、DR2、窃听者Eve的理想信道状态信息及计算其通信速率，其中，系统中的设备均是单天线，设备间的信道建模为瑞利信道，
Figure BDA0003257029900000021
表示蜂窝用户c1到DR1、DR2的干扰信道增益，
Figure BDA0003257029900000022
分别是DT、c1到窃听者Eve的信道增益，
Figure BDA0003257029900000023
分别是DT到DR1、DR2的信道增益；
基站根据获取到的信息，求出D2D组通信的保密率，以最大化D2D组的保密率为目标，计算在D2D发送端的功率分配系数，并将该功率分配系数转发给D2D发射端。
特别地，D2D组的保密率SR为DR1、DR2的通信速率R1、R2之和减去窃听者解码DR1、DR2的速率
Figure BDA0003257029900000024
其中，
Figure BDA0003257029900000025
Figure BDA0003257029900000026
Figure BDA0003257029900000027
δ2为加性高斯白噪声的功率，pc为蜂窝用户c1的发射功率。
特别地，窃听者Eve解码DR1的信号时把DR2的信号和c1的信号当作干扰信号，同理，其在解码DR2的信号时，把DR1的信号和c1的信号当作干扰信号。
特别地，基站在计算D2D发射端DT的功率分配系数α时保证了，DR1、DR2的最小通信速率，其中，
Figure BDA0003257029900000031
为DR1，DR2通信时的最低速率要求对应的信噪比。
特别地，定义p1＝αQT，p2＝(1-α)QT，0<α<0.5，p1为DT端给DR1分配的发送功率，p2为DT端给DR2分配的发送功率，QT为DT端最大发射功率。
特别地，基站根据对DR1、DR2的服务质量保障，
Figure BDA0003257029900000032
计算出功率分配系数α的范围：
Figure BDA0003257029900000033
特别地，根据KKT条件，当功率分配系数
Figure BDA0003257029900000034
或
Figure BDA0003257029900000035
时，D2D组的通信保密速率最大，基站把计算得到的
Figure BDA0003257029900000036
发送给DT，DT比较功率分配系数
Figure BDA0003257029900000037
对应的保密率Sr1，Sr2的大小，选取保密速率最大对应的α取值作为最终的功率分配方案。
本发明的有益效果：
1本发明以最大化D2D的保密率为目标，求解除出了功率分配系数的闭式解，相比于其他通过迭代更新求解功率分配系数，本发明所提供的方法算法复杂度低。
2NOMA技术与D2D技术相结合能够进一步提高系统的频谱效率，提高系统容量，可是也使得系统的干扰管理更复杂，在存在窃听者的情况下，合法用户的信息容易被窃听。本发明所提供的功率分配方法可有效抵抗窃听，保证物理层的通信安全。
3本发明所提供的功率分配方法，适用于D2D组与蜂窝用户复用上行频谱的情况，可扩展到多载波系统，即多蜂窝用户，多D2D组通信的场景。
附图说明
图1是系统模型图；
图2是基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配策略的流程示意图；
图3提出的NOMA功率分配方案与OMA方案的D2D组保密率对比；
图4基于提出的功率分配方法，仿真不同电路功率损耗PC对D2D组通信能量效率的影响，并与基于OMA的D2D组通信的能量效率进行比较。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提出一种基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，考虑D2D通信在被动窃听下的物理层安全问题，在保证每个D2D用户服务质量，和蜂窝用户及D2D组发射端功率受限的情况下，构建以最大化D2D组通信保密率为目标的优化问题。通过优化D2D发射端DT对接收端DR1及DR2的功率分配来最大化D2D通信系统的保密率。根据KKT条件，推导出两种情况下的最优功率分配的闭式解，进而通过对比两种情况下的D2D通信系统的保密速率，得到最终的功率分配方法。与基于OMA的D2D通信网络的保密率及能量效率对比，基于所提出的功率分配方法，所考虑的基于NOMA的D2D通信网络具有更高的保密速率和能量效率。
图1为系统模型图，单小区通信场景，基于单载波下行NOMA的D2D通信场景，其中D2D发射机(DT)使用NOMA协议与两个D2D接收机(DR1、DR2)进行通信。同时，存在一个窃听者，窃听为被动窃听，窃听者Eve试图窃听D2D发射机DT发射给DR1和DR2的信号。基站BS位于小区中心并且使用OMA技术为蜂窝用户(c1)服务，D2D组通信复用蜂窝上行链路的频谱资源。其中，D2D组由D2D发射机DT，D2D接收端DR1和DR2组成。假设在D2D组通信中，DR1为近端用户，具有较强的信道增益，DR2为远端用户，有较弱的信道增益。
图2为本方法的流程图，主要分为以下步骤：
(1)基站根据获取到的信息计算以下终端的通信速率，DR1、DR2的通信速率R1、R2。R1＝log2(1+SINRDR1)、R2＝log2(1+SINRDR2)。窃听者Eve解码DR1，DR2的速率
Figure BDA0003257029900000051
Figure BDA0003257029900000052
Figure BDA0003257029900000053
(2)其中，
Figure BDA0003257029900000054
Figure BDA0003257029900000055
表示蜂窝用户c1到DR1、DR2的干扰信道增益，δ2为加性高斯白噪声的功率，pc为蜂窝用户(c1)的发射功率。
Figure BDA0003257029900000056
分别是DT、c1到窃听者Eve的信道增益。
(3)构建以最大化D2D组通信保密率为目标的优化函数，D2D组的保密率SR为DR1、DR2的通信速率之和减去窃听者解码DR1、DR2的速率。对优化问题进行如下描述：
Figure BDA0003257029900000057
Figure BDA0003257029900000058
Figure BDA0003257029900000059
p1+p2≤QT (1.c)
0<p1<p2 (1.d)
公式1为目标函数，约束条件(1.a)(1.b)保证了DR1、DR2的通信质量，其中，
Figure BDA00032570299000000510
为DR1，DR2的最低速率要求约束条件。(1.c)(1.d)满足NOMA功率分配原理，远端用户分配较多的功率，近端用户分配较少的功率。
(4)由于D2D组中强弱用户所分配到的功率之和为DT端的最大发射功率，所以引入功率分配因子α。定义p1＝αQT，p2＝(1-α)QT，0<α<0.5。p1为DT端给DR1分配的发送功率，p2为DT端给DR2分配的发送功率，QT为DT端最大发射功率。优化目标函数可以表示为：
Figure BDA00032570299000000511
定义，g(α)＝-f(α)≤0；
(5)根据公式(1.a)、公式(1.b)可以推导出功率分配系数的范围：
Figure BDA0003257029900000061
(6)优化问题可以转化为如下形式：
Figure BDA0003257029900000062
s.t.(K1-α)≤0
(α-K2)≤0
0≤α≤0.5
(7)构建步骤6中优化函数的拉格朗日乘子式：
L(.)＝g(α)+(K1-α)λ1+(α-K2)λ2 公式4
其中，λ1，λ2为拉格朗日乘子；
(8)求解步骤6中不等式约束优化问题的KKT条件如下。
Figure BDA0003257029900000063
(9)根据公式5得到两种功率分配因子
Figure BDA0003257029900000064
(10)优化目标是最大化D2D组的保密率，比较功率分配系数
Figure BDA0003257029900000065
对应的保密率Sr1，Sr2的大小，选取保密速率最大对应的α取值作为最终的功率分配方案。
图3基于本专利提出的功率分配方法，仿真基于NOMA的D2D组通信的保密率，并与基于OMA的D2D组通信的保密率进行比较。其中OMA方案采用的是传统的FDMA方案，即频谱在DR1和DR2之间平均分配。从仿真结果可以看出，采用NOMA方案的D2D组保密率高于采用OMA方案的保密率。
图4基于提出的功率分配方法，仿真不同电路功率损耗值PC对D2D组通信网络能量效率的影响。能量效率的计算见公式6，其中，P为DT端的发射功率。从仿真结果可以看出，随着电路功率损耗值PC的增加，OMA和NOMA方案下，D2D组通信网络的能量效率均下降，采用NOMA方案的D2D通信网的能量效率高于采用OMA方案的D2D通信网络。确切地，当P＝4W，PC＝0.3时，采用NOMA方案的D2D组通信网络的能量效率为0.4bpj/Hz，而在相同的仿真设置下，OMA方案下的D2D组能量效率仅为0.3731bpj/Hz，基于提出的功率分配方法，所考虑的基于NOMA的D2D通信网络在节能通信方面优于基于OMA的D2D通信网络。
Figure BDA0003257029900000071
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，在本发明技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，该方法适用于NOMA使能的D2D通信系统，该系统包括一个基站BS、一个蜂窝用户c1、一个窃听者Eve和一个D2D用户组，该D2D用户组包含1个D2D发送端DT和2个D2D接收端DR1、DR2；其中，DR1到DT的距离远远小于DR2到DT的距离，DR1为近端用户，具有较强的信道增益，DR2为远端用户，有较弱的信道增益；D2D发送端DT使用NOMA方案与两个D2D接收端DR1、DR2进行通信，窃听者Eve试图窃听D2D发射机DT发射给DR1和DR2的信号，基站BS位于小区中心并且使用OMA技术为蜂窝用户c1服务，D2D组通信复用蜂窝上行链路的频谱资源；
该通信系统的功率分配方法具体包括：
基站获取蜂窝用户c1、D2D接收端DR1、DR2、窃听者Eve的理想信道状态信息及计算其通信速率，其中，系统中的设备均是单天线，设备间的信道建模为瑞利信道，
Figure FDA0003257029890000011
表示蜂窝用户c1到DR1、DR2的干扰信道增益，
Figure FDA0003257029890000012
分别是DT、c1到窃听者Eve的信道增益，
Figure FDA0003257029890000013
分别是DT到DR1、DR2的信道增益；
基站根据获取到的信息，求出D2D组通信的保密率，以最大化D2D组的保密率为目标，计算在D2D发送端的功率分配系数，并将该功率分配系数转发给D2D发射端。
2.根据权利要求1所述的基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，其特征在于：D2D组的保密率SR为DR1、DR2的通信速率R1、R2之和减去窃听者解码DR1、DR2的速率
Figure FDA0003257029890000014
其中，
Figure FDA0003257029890000015
Figure FDA0003257029890000016
Figure FDA0003257029890000017
δ2为加性高斯白噪声的功率，pc为蜂窝用户c1的发射功率。
3.根据权利要求1所述的基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，其特征在于：特别地，窃听者Eve解码DR1的信号时把DR2的信号和c1的信号当作干扰信号，同理，其在解码DR2的信号时，把DR1的信号和c1的信号当作干扰信号。
4.根据权利要求1所述的基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，其特征在于：基站在计算D2D发射端DT的功率分配系数α时保证了，DR1、DR2的最小通信速率，其中，
Figure FDA0003257029890000021
为DR1，DR2通信时的最低速率要求对应的信噪比。
5.根据权利要求1所述的基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，其特征在于：定义p1＝αQT，p2＝(1-α)QT，0<α<0.5，p1为DT端给DR1分配的发送功率，p2为DT端给DR2分配的发送功率，QT为DT端最大发射功率。
6.根据权利要求1所述的基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，其特征在于：基站根据对DR1、DR2的服务质量保障，
Figure FDA0003257029890000022
Figure FDA0003257029890000023
计算出功率分配系数α的范围：
Figure FDA0003257029890000024
7.根据权利要求1所述的基于NOMA的D2D通信物理层安全功率分配方法，其特征在于：根据KKT条件，当功率分配系数
Figure FDA0003257029890000025
或
Figure FDA0003257029890000026
时，D2D组的通信保密速率最大，基站把计算得到的
Figure FDA0003257029890000027
发送给DT，DT比较功率分配系数
Figure FDA0003257029890000028
对应的保密率Sr1，Sr2的大小，选取保密速率最大对应的α取值作为最终的功率分配方案。
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Title
SHANSHAN YU,WALI ULLAH KHAN,XIAOQING ZHANG,JU LIU: "Optimal power allocation for NOMA-enabled D2D communication with imperfect SIC decoding", 《PHYSICAL COMMUNICATION》 *
于山山: "蜂窝网中D2D通信资源管理与安全策略研究", 《万方学位论文》 *

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