CN117220848A - 一种d2d的隐蔽通信系统及其最大化隐蔽速率的优化方法 - Google Patents

一种d2d的隐蔽通信系统及其最大化隐蔽速率的优化方法 Download PDF

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CN117220848A CN202311296775.3A CN202311296775A CN117220848A CN 117220848 A CN117220848 A CN 117220848A CN 202311296775 A CN202311296775 A CN 202311296775A CN 117220848 A CN117220848 A CN 117220848A
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佘玉梅
邓飞
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王武
高扬水
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杨凯
王日嵛
张译文
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刘小安
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Kunming University
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Abstract

本发明公开了一种D2D的隐蔽通信系统及其最大化隐蔽速率的优化方法，属于无线通信技术领域。所述D2D的隐蔽通信系统包括一个基站BS，一个蜂窝用户设备CE，一个具有发射器DT和接收器DR的D2D对，以及一个窃听者WD；接收器DR在HD模式和FD模式下切换运行，以达到增强隐蔽通信系统性能的目的。本发明还提出所述D2D的隐蔽通信系统的通信方法，允许D2D的接收端DR在FD和HD模式之间灵活切换，并且基于FD和HD模式的隐蔽速率提出优化问题，在满足隐蔽需求以及发射功率约束条件下求解最大隐蔽速率，提高系统的传输安全性和隐蔽性能；通过数据仿真实验验证所提出通用模式的可靠性和有效性。

Description

一种D2D的隐蔽通信系统及其最大化隐蔽速率的优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种D2D的隐蔽通信系统及其最大化隐蔽速率的优化方法。
背景技术
大规模物联网设备所产生的数据流量爆炸性增长给蜂窝网络带来了极重的负担。D2D通信是一种设备间直通通信方式，在提高频谱效率、降低延迟、提高数据速率、扩展覆盖范围和提高能源效率等方面具有显著的优势。它为无线通信提供了更灵活和高效的解决方案，并在大规模物联网等通信领域开辟了新的应用前景。然而，由于无线信道固有的广播和开放性特点，使得这些网络面临严重的安全风险，如窃听攻击和隐私侵犯，从而阻碍了它们的广泛部署。
隐蔽通信是一种旨在隐藏无线通信存在的安全技术，其目标是保护用户的隐私，并防止无线传输内容被窃听。在隐蔽通信中，通信双方通过采用特定的隐蔽策略和协议，以使其通信行为在外部侦测者或攻击者的视野内不可察觉或难以解析。隐蔽通信对于提供一些关键服务，如军事、医疗和位置跟踪，可以使得对手无法确定是否发生了无线通信，进而无法确定发射器的位置，因此无法发起窃听攻击，从而实现了更高级别的隐私保护。在蜂窝连接的D2D通信（DCNT）中，隐蔽速率是衡量隐蔽通信的基本性能指标。探索隐蔽速率及其最大化方法具有重要的意义。
D2D通信在半双工（HD）模式下，接收器只在接收来自发射器的消息，而在全双工（FD）模式下，接收器可以接收消息并同时发送人工噪声以确保隐蔽性。与HD模式相比，FD模式可以增强隐蔽性，然而由于自干扰的影响，会降低D2D链路的隐蔽速率。但是，在DCNT中现有的工作只考虑了D2D接收器在HD模式下操作。因此，为了充分发挥HD和FD模式的优势，在DCNT中将两种模式进行联合研究，并对隐蔽速率进行优化分析是必要与可行的。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种D2D的隐蔽通信系统及其最大化隐蔽速率的优化方法，其中D2D接收器可以灵活地在HD和FD数据传输工作模式之间切换。所述方法通过计算蜂窝用户与基站之间、D2D之间分别的信干噪比、通信中断概率，以及联合求解蜂窝用户发射功率、D2D发射器发射功率和D2D自干扰功率的最优值，实现隐蔽速率的最大化，从而提高系统的传输安全性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种D2D的隐蔽通信系统，包括一个基站BS，一个蜂窝用户设备CE，一个具有发射器DT和接收器DR的D2D对，以及一个窃听者WD；
发射器DT向接收器DR传输机密消息，窃听者WD进行监听探测发射器DT和接收器DR之间的是否存在隐蔽信号的传输，接收器DR通过发射人工噪声来干扰WD的检测；所述系统所有传输都使用上行频谱资源；
接收器DR在HD模式和FD模式下切换运行，在HD模式下，接收器DR只能接收消息，在FD模式下，接收器DR可以同时接收和发送消息；
接收器DR配备了两个全向天线以支持FD模式，而其他设备分别配备一个全向天线；
所述系统包括9条链路，包括两条传输链路，一条自干扰链路，一条监听链路，一条抑制链路，四条干扰链路；两条传输链路分别为：从发射器DT到接收器DR的D2D传输链路，从蜂窝用户设备CE到基站BS的合法蜂窝用户传输链路；自干扰链路为接收器DR到其自身的自干扰链路；监听链路为发射器DT到窃听者WD的监听链路；抑制链路为从接收器DR到窃听者WD的抑制链路；四条干扰链路为从蜂窝用户设备CE到接收器DR，从蜂窝用户设备CE到窃听者WD，从发射器DT到基站BS和从接收器DR到基站BS。
作为本发明的优选实施方案，所述接收器DR可以调节其人工噪声的发射功率Pr；蜂窝用户设备CE和发射器DT可调节其各自的传输功率Pc和Pt。
一种D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，包括如下步骤：
（1）构建D2D的隐蔽通信系统模型；
（2）在FD模式下，分别计算出在接收器DR和基站BS处的中断概率，然后根据这两个中断概率计算FD模式下的隐蔽速率；
（3）在HD模式下，分别计算出在接收器DR和基站BS处的中断概率，然后根据这两个中断概率计算HD模式下的隐蔽速率；
（4）根据步骤（2）和（3）所得到的隐蔽速率和/>，得到所述D2D在灵活切换模式下隐蔽通信系统的隐蔽速率/>；然后提出隐蔽速率最大化的优化问题；
（5）采用联合优化的方式在约束条件为隐蔽需求以及发射器DT、接收端DR和蜂窝用户设备CE的发射功率条件下对步骤（4）中的隐蔽速率最大化的优化问题进行求解，得到最大化隐蔽速率；
所述步骤（5）中，对步骤（4）中的隐蔽速率最大化的优化问题进行求解具体包括：
S1：根据FD模式下的隐蔽速率，提出FD模式下的隐蔽速率优化问题，求解并得出FD模式下的最大化隐蔽速率/>；
S2：根据HD模式下的隐蔽速率，提出HD模式下的隐蔽速率优化问题，求解并得出HD模式下的最大化隐蔽速率/>；
S3：若，则/>，D2D的隐蔽通信系统以FD模式工作；若/>＜/>，则/>，D2D的隐蔽通信系统以HD模式工作。
本系统中所述D2D的接收端DR在FD模式和HD模式之间灵活切换，使得系统可以选择最合适的通信模式以提高隐蔽率性能。
作为本发明的优选实施方案，所述构建D2D的隐蔽通信系统模型的具体方法包括：
作为本发明的优选实施方案，所述步骤（2）中，根据接收器DR和基站BS接收信号的表达式计算接收器DR和基站BS处的中断概率，具体包括：
S2-1：定义t，r，c，b和w分别表示发射器DT，接收器DR，蜂窝用户设备CE，基站BS和窃听者WD；、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>来分别表示从发射器DT到接收端DR、发射器DT到基站BS、发射器DT到窃听者WD、蜂窝用户设备CE到接收端DR、蜂窝用户设备CE到基站BS、蜂窝用户设备CE到窃听者WD、接收端DR到基站BS、接收端DR到窃听者WD、接收端DR到接收端DR的信道；
S2-2：信道hij的衰落服从参数为λij的准静态瑞利分布，其中i和j属于{t, r, c,b, w}，j的发射功率定义为，并且在j处接收到的噪声服从均值为0，方差为/>的复高斯加性随机变量/>；
S2-3：在FD模式下接收端DR和基站BS在第i个时隙中，接收到的信号分别表示为：
(1)
(2)
其中，和/>分别表示在第i个时隙发射器DT和蜂窝用户设备CE发送的信号；/>表示在第i个时隙由接收端DR发送的人工噪声；/>表示在第i个时隙接收端DR接收到的信号；/>表示在第i个时隙基站BS接收到的信号；/>表示发射器DT的发射功率；/>表示蜂窝用户设备CE的发射功率；/>表示接收器DR的发射功率；/>表示接收器DR在第i个时隙、j处接收到的噪声服从复高斯加性随机变量；/>表示基站BS在第i个时隙接收到的噪声服从复高斯加性随机变量；φ是自干扰消除系数，其取值区间为 (0,1]，它的取值大小代表对接收器DR发送的人工噪声/>的消除程度，人工噪声在窃听者WD处干扰其接收到的信号，从而使窃听者WD无法确定D2D之间是否有信息传输的行为；设定接收器DR发送的人工噪声功率是服从连续均匀变化的随机变量，其概率密度函数/>为：
(3)
是最大自干扰发射功率；
S2-4：根据（1）式，得到在FD模式下接收器DR接收到的信干噪比：
(11)；
根据（2）式，得到在FD模式下基站BS接收到的信干噪比：
(12)；
S2-5：根据式（11）和式（12）计算出基站BS和接收端DR的中断概率和/>如下：
(13)
(14)
其中，，/>, />和/>分别表示从蜂窝用户设备CE到基站BS、从发射器DT到接收端DR的信道容量预设门限阈值，/>为信道所服从的准静态瑞利分布指数参数，其中i和j属于{t, r, c, b, w}；/>代表接收端DR接收到的噪声功率的方差。
和/>分别表示在FD模式下，接收端DR和基站BS无法成功解码其接收消息的传输中断概率。特别地，从蜂窝用户设备CE到基站BS的传输中断发生在/>时，而从发射器DT到接收端DR的传输中断发生在/>时。在这里，/>和/>分别表示在FD模式下，从蜂窝用户设备CE到基站BS的信道容量和从发射器DT到接收端DR的信道容量。而信道容量由经典的香农公式给出：/>，其中SINR为信干噪比。因此，通过（11）和（12）所推导的信干噪比，可以分别推导处相应接收端的中断概率（13）和（14），具体证明过程如下：
公式（13）的推导过程：
公式（14）的推导过程：
作为本发明的优选实施方案，在FD模式下，根据接收到的信号，窃听者WD执行二元假设检验来决定发射器DT是否在第i个时隙进行了隐蔽传输；二元假设检验检验中，零假设表示发射器DT没有传输隐蔽消息，备择假设表示发射器DT进行了隐蔽传输；因此，窃听者WD在FD模式下接收到的信号可以表示为：
(4)
(5)
其中，H0表示零假设，H1表示备择假设；表示窃听者WD在第i个时隙接收到的噪声服从复高斯加性随机变量；
因此，可以得到FD模式下窃听者WD的信干噪比为：
。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤（3）中，根据接收器DR和基站BS接收信号的表达式计算接收器DR和基站BS处的中断概率，具体包括：
步骤一：在HD模式下接收器DR和基站BS在第i个时隙中，接收到的信号分别表示为：
(6)
(7)
此时，接收器DR仅仅处于接收信号的状态，不发送人工噪声；
步骤二：根据（6）式，得到在HD模式下BS接收到的信干噪比：
(29)；
根据（7）式，得到在HD模式下DR接收到的信干噪比：
(30)；
步骤三：根据式（29）和式（30）计算出基站BS和接收端DR的中断概率和/>如下：
(31)
(32)
其中，，/>。
和/>分别表示在HD模式下，DR和BS无法成功解码其接收消息的传输中断概率。特别地，从CE到BS的传输中断发生在/>时，而从DT到DR的传输中断发生在时。在这里，/>和/>是分别表示在HD模式下，从CE到BS的信道容量和从DT到DR的信道容量。
因此，通过（29）和（30）所推导的信干噪比，可以分别推导处相应接收端的中断概率（31）和（32）。具体证明过程如下：
公式（31）的推导过程：
公式（32）的推导过程：
作为本发明的优选实施方案，在HD模式下，窃听者WD执行二元假设来决定发射器DT是否在第i个时隙进行了隐蔽传输；因此，窃听者WD在HD模式下接收到的信号可以表示为：
(8)
(9)
因此，可以得到HD模式下窃听者WD的信干噪比为：
。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤（2）中，隐蔽速率为： (10)；
其中，是FD模式下定义的所期望达到的一个特定速率，/>和/>分别表示基站BS和接收端DR的传输中断概率。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤（3）中，在HD模式下，隐蔽速率为：
(28)
在公式(28)中，是定义的所期望达到的一个特定速率，/>和/>分别表示基站BS和接收端DR的传输中断概率。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤S1中，在FD模式下隐蔽速率最大化优化问题：
式中，约束条件（15c）和（15d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围，约束条件（15e）表示接收端DR的最大传输功率的取值范围，代表隐蔽要求，是一个任意小的常数；/>和/>分别代表当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布；根据Pinsker公式，/>，本发明中是两个概率分布/>和/>之间的相对熵，/>和/>分别是FD模式下，当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布，ε是一个任意小的常数。
在FD模式下，求解优化问题（15a）-（15e），分别得到最优的发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率和/>分别如下：
(25)
(26)
其中，，/>，/>是窃听者WD所接收到的噪声功率的方差，/>是所观察的共n个信道；
基于上述传输功率和/>，得到在FD模式下的最大隐蔽速率/>如下：/>
(27)。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤S2中，在HD模式下隐蔽速率最大化优化问题：
式中，约束条件（33c）和（33d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围；根据Pinsker公式，，本发明是两个概率分布/>和/>之间的相对熵，而/>和/>分别是HD模式下，当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布，ε是一个任意小的常数。
在HD模式下，求解优化问题（33a）-（33d），得到最优的发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率和/>分别如下：
(34)
(35)
其中，，/>。
基于上述传输功率和/>，得到在HD模式下的最大隐蔽速率/>如下：
(36)。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤（4）中，所述D2D的隐蔽通信系统的隐蔽速率为：/>
(37)
式中FD模式下的隐蔽速率和HD模式下的隐蔽速率/>分别为：
(38)
(39)。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤（4）中，隐蔽速率最大化的优化问题：
式中，约束条件（40b）表示示隐蔽需求，约束条件（40c）和（40d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围，约束条件（40e）表示接收端DR的最大传人工噪声输功率的取值范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）在基于蜂窝网络的背景下研究D2D通信，D2D用户设备可以在邻近范围内直接通信，而无需完全依赖蜂窝基站进行中继转发传输。这样的设计利用了D2D用户设备的直接通信能力，提高了蜂窝网络的功能和效率。并且，在研究场景中，考虑基站的存在，基站负责管理和控制整个网络，分配资源，协调用户设备之间的通信，并处理与D2D通信相关的干扰问题。这种集成了蜂窝网络和D2D通信的蜂窝连接的D2D通信环境更加贴合实际通信场景，利用用户设备的直接通信能力，提高了系统的可靠性和性能。
（2）本发明提出了一种D2D的隐蔽通信系统，允许D2D的接收器DR在HD和FD两种模式之间根据实际情况灵活切换。通过切换到FD模式来利用自干扰掩护D2D的隐蔽通信，同时又利用HD模式来克服自干扰对隐蔽速率的影响，最终达到提高系统隐蔽性和传输有效性的目标。
附图说明
图1为本发明所述D2D的隐蔽通信系统的通信链路示意图。
图2为本发明所述D2D的隐蔽通信系统最大化隐蔽速率的优化方法流程图。
图3为本发明所述D2D的隐蔽通信系统、仅在HD模式下运行的蜂窝连接的D2D通信、仅在FD模式下运行的蜂窝连接的D2D通信的隐蔽速率随发射器DT发射功率Pt变化对比图。
图4为本发明所述D2D的隐蔽通信系统、仅在HD模式下运行的蜂窝连接的D2D通信、仅在FD模式下运行的蜂窝连接的D2D通信的隐蔽速率随隐蔽需求ε变化对比图。
图5为本发明所述D2D的隐蔽通信系统、仅在HD模式下运行的蜂窝连接的D2D通信、仅在FD模式下运行的蜂窝连接的D2D通信的隐蔽速率随蜂窝用户设备CE发射功率Pc变化对比图。
图中，FD 模式为仅在FD模式下运行的D2D通信；HD 模式为仅在HD模式下运行的D2D通信；通用模式为D2D可以在FD和HD两种模式下灵活切换运行的D2D的隐蔽通信系统。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种D2D的隐蔽通信系统，包括一个基站BS，一个蜂窝用户设备CE，一个具有发射器DT和接收器DR的D2D对，以及一个窃听者WD；接收器DR在HD模式和FD模式下灵活切换运行，以达到增强隐蔽通信系统性能的目的；在HD模式下，接收器DR只能接收消息，在FD模式下，接收器DR可以同时接收和发送消息。
发射器DT试图秘密地向DR传输机密消息，而窃听者WD则进行监听，试图探测发射器DT和接收器DR之间的是否存在隐蔽信号的传输。接收器DR可以作为友好的干扰器通过发射人工噪声来干扰窃听者WD的检测。在该系统中，本发明专注于研究蜂窝网络的上行传输场景，即所有传输都使用上行频谱资源。
接收器DR配备了两个全向天线以支持FD模式，而其他设备分别配备一个全向天线；接收器DR可以调整其人工噪声的发射功率Pr，该功率不超过最大发射功率Pmax；CE和DT也可调节其各自的传输功率Pc和Pt。Pc和Pt的最大值分别表示为Pcmax和Ptmax。
所述D2D的隐蔽通信系统包括9条链路，包括两条传输链路，一条自干扰链路，一条监听链路，一条抑制链路，四条干扰链路；两条传输链路分别为：从发射器DT到接收器DR的D2D传输链路，从蜂窝用户设备CE到基站BS的合法蜂窝用户传输链路（即图1中的C2B链路）；自干扰链路为接收器DR到其自身的自干扰链路；监听链路为发射器DT到窃听者WD的监听链路；抑制链路为从接收器DR到窃听者WD的抑制链路；四条干扰链路为从蜂窝用户设备CE到接收器DR，从蜂窝用户设备CE到窃听者WD，从发射器DT到基站BS和从接收器DR到基站BS。
本发明以时隙分割的上行链路场景，并且所有节点在一个时隙内是静态的，使用准静态瑞利衰落信道来建模这些链路，如图1所示，其中信道在每个时隙内保持恒定，在不同的时隙内服从独立同分布的复高斯随机变化。定义t，r，c，b和w分别表示发射器DT，接收器DR，蜂窝用户设备CE，基站BS和窃听者WD；、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>来分别表示从发射器DT到接收端DR、发射器DT到基站BS、发射器DT到窃听者WD、蜂窝用户设备CE到接收端DR、蜂窝用户设备CE到基站BS、蜂窝用户设备CE到窃听者WD、接收端DR到基站BS、接收端DR到窃听者WD、接收端DR到接收端DR的信道。信道hij的衰落服从参数为λij的准静态瑞利分布，其中i和j属于{t, r, c, b, w}，j的发射功率定义为/>，并且在j处接收到的噪声服从均值为0，方差为/>的复高斯加性随机变量/>。
本发明所述D2D的隐蔽通信系统的系统结构流程图如图2所示，一种D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，包括如下步骤：
（1）构建D2D的隐蔽通信系统模型。
（2）在FD模式下，分别计算出在接收器DR和基站BS处的中断概率，然后根据这两个中断概率计算FD模式下的隐蔽速率；
S2-1：在FD模式下接收端DR和基站BS在第i个时隙中，接收到的信号分别表示为：
(1)
(2)
其中，和/>分别表示在第i个时隙发射器DT和蜂窝用户设备CE发送的信号；表示在第i个时隙由接收端DR发送的人工噪声；/>表示在第i个时隙接收端DR接收到的信号；/>表示在第i个时隙基站BS接收到的信号；/>表示发射器DT的发射功率；/>表示蜂窝用户设备CE的发射功率；/>表示接收器DR的发射功率；/>表示接收器DR在第i个时隙、j处接收到的噪声服从复高斯加性随机变量；φ是自干扰消除系数，其取值区间为(0,1]，它的取值大小代表对接收器DR发送的人工噪声/>的消除程度，人工噪声在窃听者WD处干扰其接收到的信号，从而使窃听者WD无法确定D2D之间是否有信息传输的行为；设定接收器DR发送的人工噪声功率是服从连续均匀变化的随机变量，其概率密度函数/>为：/> (3)
是最大自干扰发射功率；
S2-2：根据隐蔽速率的定义，在FD模式下，隐蔽速率可以表示为：
(10)；
其中，是预设的一个特定速率；/>和/>分别表示基站BS和接收端DR无法成功解码其接收到的消息的传输中断概率，为了确定未知的中断概率/>和/>，首先给出在基站BS和接收端DR处的信干噪比/>和/>如下：/>(11)/>
(12)
于是，可以推导得出基站BS和接收端DR处的中断概率和/>如下：
(13)
(14)
其中，，/>, />和/>分别表示从蜂窝用户设备CE到基站BS、从发射器DT到接收端DR的信道容量预设门限阈值，/>为信道/>所服从的准静态瑞利分布指数参数，其中i和j属于{t, r, c, b, w}；/>代表DR接收到的噪声功率的方差。
S2-3：根据接收到的信号，窃听者WD执行二元假设检验来决定发射器DT是否在第i个时隙进行了隐蔽传输；二元假设检验检验中，零假设表示发射器DT没有传输隐蔽消息，备择假设表示发射器DT进行了隐蔽传输；因此，窃听者WD在FD模式下接收到的信号可以表示为：
(4)
(5)
其中，H0表示零假设，H1表示备择假设，表示窃听者WD在第i个时隙接收到的噪声服从复高斯加性随机变量；
因此，可以得到FD模式下窃听者WD的信干噪比为：
根据Pinsker公式，，/>是两个概率分布/>和/>之间的相对熵，而/>和/>分别是当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布。在隐蔽通信中，采用/>作为后续在FD模式下，所提出的优化问题的隐蔽性要求，其确定方式为：/>，其中ε是一个任意小的常数。
（3）在HD模式下，提出HD模式下的隐蔽速率优化问题并求解优化问题，得到在HD模式下的最大化隐蔽速率：
S3-1：在HD模式下接收器DR和基站BS在第i个时隙中，接收到的信号分别表示为：
(6)
(7)
此时，接收器DR仅仅处于接收信号的状态，不发送人工噪声；
S3-2：在HD模式下，隐蔽速率为：
(28)
在公式(28)中，是定义的所期望达到的一个特定速率，/>和/>分别表示基站BS和接收端DR的传输中断概率；为了确定未知的中断概率/>和/>，先给出在基站BS和接收端DR处的信干噪比/>和/>如下：
(29)
(30)
于是，可以推导得出基站BS和接收端DR的中断概率和/>如下：
(31)
(32)
其中，，/>。
S3-3：在HD模式下，窃听者WD执行二元假设来决定发射器DT是否在第i个时隙进行了隐蔽传输；因此，窃听者WD在HD模式下接收到的信号可以表示为：
(8)
(9)/>
因此，可以得到HD模式下窃听者WD的信干噪比为：
根据Pinsker公式，，是两个概率分布/>和/>之间的相对熵，而/>和/>分别是当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布。在隐蔽通信中，采用/>作为后续在HD模式下，所提出的优化问题的隐蔽性要求，其确定方式为：，其中ε是一个任意小的常数。
（4）根据步骤（2）和（3）所得到的隐蔽速率和/>，得到所述D2D的隐蔽通信系统的隐蔽速率/>；然后提出隐蔽速率最大化的优化问题：
S4-1：所述D2D的隐蔽通信系统的隐蔽速率为：
(37)
式（37）中，将(13)、(14)代入(10)可得隐蔽速率如下：
(38)
将(31)、(32)代入(28)可得如下：
(39)。
S4-2：根据上述隐蔽速率，提出隐蔽速率最大化的优化问题：
。
（5）采用联合优化的方式在约束条件为隐蔽需求以及发射器DT、接收端DR和蜂窝用户设备CE的发射功率条件下对步骤（4）中的隐蔽速率最大化的优化问题进行求解，得到最大化隐蔽速率：
S5-1：约束条件为：
式中，约束条件（40b）表示示隐蔽需求，约束条件（40c）和（40d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围，约束条件（40e）表示接收端DR的最大传人工噪声输功率的取值范围。
S5-2：对步骤（4）中的隐蔽速率最大化的优化问题进行求解具体包括：
S1：首先，根据FD模式下的隐蔽速率，提出FD模式下的隐蔽速率优化问题，
。
式中，约束条件（15b）表示示隐蔽需求，约束条件（15c）和（15d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围，约束条件（15e）表示接收端DR的最大传输功率的取值范围，代表隐蔽要求，是一个任意小的常数；/>和/>分别是当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布。
然后，在FD模式下，求解优化问题（15a）-（15e），分别得到最优的发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率和/>分别如下：
(25)
(26)
其中，，/>，/>是所观察的共n个信道，/>是窃听者WD处所接收到的噪声功率的方差；
最后，基于上述传输功率和/>，得到在FD模式下的最大隐蔽速率/>如下：/>
(27)
S2：首先，根据HD模式下的隐蔽速率，提出HD模式下的隐蔽速率优化问题：
式中，约束条件（33b）表示示隐蔽需求，约束条件（33c）和（33d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围。
然后，在HD模式下，求解优化问题（33a）-（33d），得到最优的发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率和/>分别如下：
(34)
(35)
其中，，/>。
最后，基于上述传输功率和/>，得到在HD模式下的最大隐蔽速率/>如下：
(36)。
S3：若，则/>，D2D的隐蔽通信系统以FD模式工作；若/>＜/>，则/>，D2D的隐蔽通信系统以HD模式工作。
本发明创建的一种D2D的隐蔽通信系统的通讯方式可以灵活地在FD模式和HD模式之间切换，这种隐蔽通信系统可以很好地结合FD模式和HD模式的优势，在克服FD模式下强自干扰对隐蔽性能的被动影响下最大化隐蔽速率。
本发明通过数据仿真实验验证所述基于蜂窝网的D2D的隐蔽通信系统的可靠性和有效性。对本发明所述D2D的隐蔽通信系统（简称通用模式），D2D仅工作在HD模式下（简称HD模式），D2D仅工作在FD模式下（简称FD模式）的隐蔽速率进行对比。
关于仿真参数的选取，不失一般性，考虑上行链路，单一小区中存在一个基站BS，一个具有发射器DT和接收器DR的D2D对和一个蜂窝用户设备CE，以及一个窃听者WD，使用MATLAB进行仿真，仿真参数见表1。
表1. 系统仿真参数
参数名称 数值
信道hij的指数参数λij 1
自干扰消除系数φ 0.05
隐蔽需求ε 0.01
DR的最大传输功率Pmax 2.0W
DR、DT和CE的传输功率，即Pr、Pt和Pc 1.0W
WD、DR和BS处的方差噪声功率，即σw 2σr 2和σb 2 0.001W
FD和HD模式下分别预设的速率，即RFD和RHD 1.5Mbits/Channel
。
图3-5为仿真结果。图3说明了在蜂窝用户设备CE的传输功率Pc = {1.0, 1.5} W的设置下，隐蔽速率随Pt的变化情况。从图3可以观察到，FD模式下的隐蔽速率随着Pt的增加而增加，而在HD模式下，隐蔽率/>随着Pt的增加先增加然后保持为零。这是因为Pt的增加会产生双重影响：一方面，它的增加会增加FD模式和HD模式下的隐蔽速率；另一方面，它的增加同样会增加窃听者WD检测到发射器DT传输的概率。因此，在HD模式下，当Pt增加到足够大时，窃听者WD便能够检测到它，此时隐蔽通信暴露，隐蔽速率/>变为零并保持不变。而在FD模式下，由于收器DR产生的人工噪声对隐蔽通信的掩护作用，从而使得隐蔽速率随着Pt的增加而一直增大。在通用模式下，系统灵活地在FD和HD模式下切换以获得最大隐蔽速率，因此通用模式下的曲线对应于/>和/>的较大值。此外，从图3中还可以观察到对于每个固定的Pt，由于FD模式下的自干扰，使得/>高于/>，这是因为较大的Pc会对D2D接收器DR产生更多的干扰，从而导致最大隐蔽速率降低。
图4说明了隐蔽要求ε对这三种模式下的隐蔽速率的影响。在Pt = {1.0, 1.5} W的设置下，从图4可以看出，随着ε的增加，增加，而/>首先保持为零然后增加。这是由于，ε的增加意味着隐蔽需求条件的松弛，这会导致/>和/>的增加。然而，当ε相对较小时，无法满足HD模式下的隐蔽约束，因此/>为零。对于FD模式，借助DR的人工噪声的干扰，D2D对通信满足隐蔽约束。而在通用模式下的隐蔽速率是/>和/>的较大值。从图4还可以观察到，对于每个ε，Pt = 1.5 W情况下的最大隐蔽速率大于Pt = 1.0 W的设置下的最大隐蔽速率。这是因为较大的Pt导致D2D接收器DR接收到的信号更强，从而提高了隐蔽性能。
图5说明了传输功率Pc对这三种模式下的隐蔽速率的影响。如图5所示，当DT的传输功率Pt设置为{1.0，1.5} W时随着Pc的增加，隐蔽速率在三种模式下都会降低。这是因为Pc的增加会对接收器DR接收到的信号进行干扰，导致三种模式下的隐蔽率降低。从图5还可以看出，对于每个固定的Pc，在Pt = 1.5 W设置下的最大隐蔽速率大于Pt = 1.0 W设置下的最大隐蔽速率，这是因为较大的Pt导致D2D接收器DR接收到的信号更强，从而提高了隐蔽性能。
综上所述，本发明首先建立了基于蜂窝网络上行链路的D2D通信模型，研究了隐蔽速率最大化问题，在讨论研究FD和HD两种模式下最大化隐蔽速率的基础上，发明了一种D2D接收端DR可以灵活在FD和HD模式间切换的通用模式。分别在三种模式下提出优化问题，并在隐蔽需求和各终端发射功率的限制条件下进行优化分析，得出最大隐蔽速率。仿真结果表明，本发明所述D2D的隐蔽通信系统可以显著增强D2D用户链路的隐蔽通信速率。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种D2D的隐蔽通信系统，其特征在于，包括一个基站BS，一个蜂窝用户设备CE，一个具有发射器DT和接收器DR的D2D对，以及一个窃听者WD；
发射器DT向接收器DR传输机密消息，窃听者WD进行监听探测发射器DT和接收器DR之间的是否存在隐蔽信号的传输，接收器DR通过发射人工噪声来干扰WD的检测；所述系统所有传输都使用上行频谱资源；
接收器DR在HD模式和FD模式下切换运行，在HD模式下，接收器DR只能接收消息，在FD模式下，接收器DR可以同时接收和发送消息；
接收器DR配备两个全向天线以支持FD模式，其他设备分别配备一个全向天线；
所述D2D的隐蔽通信系统包括9条链路，其中两条传输链路，一条自干扰链路，一条监听链路，一条抑制链路，四条干扰链路；两条传输链路分别为：从发射器DT到接收器DR的D2D传输链路，从蜂窝用户设备CE到基站BS的合法蜂窝用户传输链路；自干扰链路为接收器DR到其自身的自干扰链路；监听链路为发射器DT到窃听者WD的监听链路；抑制链路为从接收器DR到窃听者WD的抑制链路；四条干扰链路分别为从蜂窝用户设备CE到接收器DR，从蜂窝用户设备CE到窃听者WD，从发射器DT到基站BS和从接收器DR到基站BS。
2.一种D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）构建如权利要求1所述D2D的隐蔽通信系统；
（2）在FD模式下，分别计算出在接收器DR和基站BS处的中断概率，然后根据这两个中断概率计算FD模式下的隐蔽速率；
（3）在HD模式下，分别计算出在接收器DR和基站BS处的中断概率，然后根据这两个中断概率计算HD模式下的隐蔽速率；
（4）根据步骤（2）和（3）所得到的隐蔽速率和/>，得到所述D2D在灵活切换模式下隐蔽通信系统的隐蔽速率/>；然后提出隐蔽速率最大化的优化问题；
（5）采用联合优化的方式在约束条件为隐蔽需求以及发射器DT、接收端DR和蜂窝用户设备CE的发射功率条件下对步骤（4）中的隐蔽速率最大化的优化问题进行求解，得到最大化隐蔽速率；
所述步骤（5）中，对步骤（4）中的隐蔽速率最大化的优化问题进行求解具体包括：
S1：根据FD模式下的隐蔽速率，提出FD模式下的隐蔽速率优化问题，求解并得出FD模式下的最大化隐蔽速率/>；
S2：根据HD模式下的隐蔽速率，提出HD模式下的隐蔽速率优化问题，求解并得出HD模式下的最大化隐蔽速率/>；
S3：若，则/>，D2D的隐蔽通信系统以FD模式工作；若，则/>，D2D的隐蔽通信系统以HD模式工作。
3.如权利要求2所述D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，所述步骤（2）中，根据接收器DR和基站BS接收信号的表达式计算接收器DR和基站BS处的中断概率，具体包括：
S2-1：定义t，r，c，b和w分别表示发射器DT，接收器DR，蜂窝用户设备CE，基站BS和窃听者WD；、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>和/>来分别表示从发射器DT到接收端DR、发射器DT到基站BS、发射器DT到窃听者WD、蜂窝用户设备CE到接收端DR、蜂窝用户设备CE到基站BS、蜂窝用户设备CE到窃听者WD、接收端DR到基站BS、接收端DR到窃听者WD、接收端DR到接收端DR的信道；
S2-2：信道hij的衰落服从参数为λij的准静态瑞利分布，其中i和j属于{t, r, c, b,w}，j的发射功率定义为，并且在j处接收到的噪声服从均值为0，噪声功率方差为/>的复高斯加性随机变量，即/>；
S2-3：在FD模式下接收端DR和基站BS在第i个时隙中，接收到的信号分别表示为：
(1)
(2)
其中，和/>分别表示在第i个时隙发射器DT和蜂窝用户设备CE发送的信号；/>表示在第i个时隙由接收端DR发送的人工噪声；/>表示在第i个时隙接收端DR接收到的信号；/>表示在第i个时隙基站BS接收到的信号；/>表示发射器DT的发射功率；/>表示蜂窝用户设备CE的发射功率；/>表示接收器DR的发射功率；/>表示接收器DR在第i个时隙、j处接收到的噪声服从复高斯加性随机变量；/>表示基站BS在第i个时隙接收到的噪声服从复高斯加性随机变量；φ是自干扰消除系数，其取值区间为 (0,1]，它的取值大小代表对接收器DR发送的人工噪声/>的消除程度，人工噪声在窃听者WD处干扰其接收到的信号，从而使窃听者WD无法确定D2D之间是否有信息传输的行为；设定接收器DR发送的人工噪声功率是服从连续均匀变化的随机变量，其概率密度函数/>为：
(3)
是最大自干扰发射功率；
S2-4：根据（1）式，得到在FD模式下接收器DR接收到的信干噪比： (11)；
根据（2）式，得到在FD模式下基站BS接收到的信干噪比：
(12)；
S2-5：根据式（11）和式（12）计算出基站BS和接收端DR的中断概率和/>如下：
(13)
(14)
其中，，/>, />和/>分别表示从蜂窝用户设备CE到基站BS、从发射器DT到接收端DR的信道容量预设门限阈值，/>为信道/>所服从的准静态瑞利分布指数参数，其中i和j属于{t, r, c, b, w}；/>代表基站BS接收到的噪声功率的方差；/>代表接收器DR的噪声功率的方差。
4.如权利要求2所述D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，所述步骤（3）中，根据接收器DR和基站BS接收信号的表达式计算接收器DR和基站BS处的中断概率，具体包括：
S3-1：在HD模式下接收器DR和基站BS在第i个时隙中，接收到的信号分别表示为：
(6)
(7)
此时，接收器DR仅仅处于接收信号的状态，不发送人工噪声；
S3-2：根据（6）式，得到在HD模式下基站BS接收到的信干噪比：
(29)；
根据（7）式，得到在HD模式下接收器DR接收到的信干噪比：
(30)；
S3-3：根据式（29）和式（30）计算出基站BS和接收端DR的中断概率和/>如下：
(31)
(32)
其中，，/>，/>和/>分别表示从蜂窝用户设备CE到基站BS、从发射器DT到接收端DR的信道容量预设门限阈值，/>为信道/>所服从的准静态瑞利分布指数参数，其中i和j属于{t, r, c, b, w}；/>代表基站BS接收到的噪声功率的方差；/>代表接收器DR噪声功率的方差。
5.如权利要求4所述D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，
所述步骤（2）中，在FD模式下，隐蔽速率为：
(10)；
其中，是FD模式下定义的所期望达到的一个特定速率，/>和/>分别表示FD模式下基站BS和接收端DR的传输中断概率；
所述步骤（3）中，在HD模式下，隐蔽速率为：
(28)
在公式(28)中，是定义的所期望达到的一个特定速率，/>和/>分别表示HD模式下基站BS和接收端DR的传输中断概率。
6.如权利要求2所述D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，在FD模式下隐蔽速率最大化优化问题：
，
式中，约束条件（15c）和（15d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围；约束条件（15e）表示接收端DR的最大传输功率的取值范围；约束条件（15b）表示隐蔽需求，是一个任意小的常数，/>，/>和/>分别代表FD模式下，当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布；/>为FD模式下窃听者WD的信干噪比为/>；
所述H0为零假设，表示FD模式下发射器DT没有传输隐蔽消息：
(4)；
所述H1为备择假设，表示FD模式下发射器DT进行了隐蔽传输：
(5)。
7.如权利要求6所述D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，FD模式下的最大隐蔽速率求解包括：
在FD模式下，求解优化问题（15a）-（15e），分别得到最优的发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率和/>分别如下：
(25)
(26)
其中，，/>，是窃听者WD接收到的噪声功率的方差；/>是所观察的共n个信道；
基于上述传输功率和/>，得到在FD模式下的最大隐蔽速率/>如下：
(27)。
8.如权利要求2所述D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，在HD模式下隐蔽速率最大化优化问题：
式中，约束条件（33c）和（33d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围；约束条件（33b）表示示隐蔽需求，/>，/>是两个概率分布/>和/>之间的相对熵，/>和/>分别是HD模式下，当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布，/>表示HD模式下窃听者WD的信干噪比，；
所述H0为零假设，表示HD模式下发射器DT没有传输隐蔽消息：
(8)；
所述H1为备择假设，表示HD模式下发射器DT进行了隐蔽传输：
(9)。
9.如权利要求8所述D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，HD模式下的最大隐蔽速率求解包括：
在HD模式下，求解优化问题（33a）-（33d），得到最优的发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率和/>分别如下：
(34)
(35)
其中，，/>；
基于上述传输功率和/>，得到在HD模式下的最大隐蔽速率/>如下：
(36)。
10.如权利要求2所述D2D的隐蔽通信系统的最大化隐蔽速率的优化方法，其特征在于，所述步骤（4）中，所述D2D的隐蔽通信系统的隐蔽速率为：
(37)
式中FD模式下的隐蔽速率和HD模式下的隐蔽速率/>分别为：
(38)
(39)；
根据隐蔽速率隐蔽速率最大化的优化问题：
；
式中，约束条件（40b）表示示隐蔽需求；约束条件（40c）和（40d）分别表示发射器DT和蜂窝用户设备CE的传输功率范围；约束条件（40e）表示接收端DR的最大传人工噪声输功率的取值范围，和/>分别是在D2D的隐蔽通信系统下，当H0和H1为真时，窃听者WD对n个信道使用的观测的概率分布。
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