一种基于半双工协作NOMA系统的防窃听方案

一种基于半双工协作noma系统的防窃听方案
技术领域
1.本发明属于无线移动通信领域，主要针对的应用场景是半双工协作noma系统，主要应用是防止远端用户的信号被窃听，具体涉及单窃听者半双工协作noma系统的安全中断概率分析求得防止用户被窃听的最小服务质量要求。


背景技术：

2.鉴于互联网和物联网业务的高速发展，无线通信的业务需求日益增长。非正交多址接入技术(non-orthogonal multiple access,noma)作为第五代无线网络中很有前途的关键技术之一，已在各个领域得到了广泛的应用。不同于以往的正交多址接入(orthogonal multiple access，oma)技术，只能为一个用户分配单一的无线资源，例如按照频率或时间分割。noma技术允许在同一个资源块(时间/频率/编码)中通过不同的功率同时为多个用户服务。其接收端依据功率差异通过串行干扰消除(successive interference cancel，sic)消除来自其他用户的干扰进行解码。
3.协作传输技术是对抗路径损失、信道衰落和阴影效应的有效技术，它可以形成虚拟多输入多输出方案，协作处理数据，提高信道条件差的用户的通信可靠性。在协作通信系统中，通过利用中继节点转发源节点的信号，称之为协作分集。中继节点的工作模式可以分为全双工模式和半双工模式。由于无线通信的广播特性，物理层安全作为一种实现安全通信的很有吸引力的方法，近年来引起了人们的广泛关注。因此如何防止用户信号被窃听是目前研究的主要方向。
4.综上所述，现有技术存在的问题是：虽然现在对于协作noma系统的保密分析是一大研究热点，但是目前基于半双工协作noma系统中用户的防窃听方案研究比较少。
5.解决上述问题的难度：获得基于单窃听者半双工协作noma系统中的安全中断概率的闭式表达式，以便推导远端用户不发生中断时的服务质量要求，进而防止远端用户信号被窃听。
6.解决上述问题的意义：获得基于半双工协作noma系统中中继用户的中断概率和远端用户的安全中断概率的闭式表达式，定量了解基于单窃听者半双工协作noma系统的安全性能，推导了用户不发生中断的情况，进而有效防止远端用户的信号被窃听。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于半双工协作noma系统的防窃听方案，用于防止远端用户的信号泄露，保障远端用户的信息安全。
8.第一方面，本技术提供了一种基于半双工协作noma系统的防窃听方案，所述方法包括：
9.s1.基站发送关于中继用户和远端用户的叠加编码信号到中继用户；
10.s2.中继用户接收来自基站的信号，并采用串行干扰消除sic进行解码；
11.s3.中继用户发送新的远端用户叠加编码信号；
12.s4.远端用户和窃听者接收来自中继用户的信号，远端用户采用sic解码信号，窃听者采用平行干扰消除plc解码接收信号；
13.s5.根据香农公式，获得合法用户和窃听者的可实现速率；
14.s6.获得远端用户的保密速率，然后通过数值计算获得远端用户的安全中断概率闭式表达式；
15.s7.根据安全中断概率，推导得到远端用户的最小防窃听服务质量要求。
16.进一步，所述方法还包括：
17.根据权利要求1所述的一种防窃听方案，其特征在于，当近端用户充当中继时，假设中继用户的发送功率和基站的发送功率一致。
18.进一步，所述方法包括：
19.根据权利要求1所述的一种防窃听方案，其特征在于，由于距离、障碍物或其它现实原因导致远端用户以及窃听者和基站之间没有直接链路。
20.进一步，所述方法包括：
21.根据权利要求1所述的一种防窃听方案，其特征在于，所述s2，包括:
22.s21:中继用户接收到来自基站的信号后，根据功率分配大小不同，需要首先解码最远端用户的信号，然后解码次远端用户的信号，最后解码自身的信号。
23.s22:根据解码顺序，获得中继用户处分别解码中继用户和远端用户信号时的信号与干扰加噪声比(signal to interference plus noise ratio,sinr)。
24.进一步，所述方法包括：
25.根据权利要求1所述的一种防窃听方案，其特征在于，中继用户工作在半双工模式去解码转发新的远端用户的叠加编码信号。
26.进一步，所述方法包括：
27.根据权利要求1所述的一种防窃听方案，其特征在于，计算用户的可实现速率时，所述s5考虑的信道带宽为单位带宽。
28.进一步，所述方法包括：
29.根据权利要求1所述的一种防窃听方案，其特征在于，对于中继用户而言，只有中继用户同时成功解码远端用户和中继用户的信号时不会发生中断，所述s6远端用户的安全中断概率为远端用户的速率都小于用户服务质量要求的补。
30.进一步，所述方法包括：
31.根据权利要求1所述的一种防窃听方案，其特征在于，所述s7中当远端用户刚好不发生中断时的服务质量要求就是所求防止用户窃听的最小服务质量要求。
附图说明
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
33.图1是本发明实施提供的基于单窃听者半双工协作noma系统场景示意图。
34.图2为本发明实施提供的安全中断概率分析流程图。
具体实施方式
35.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；对本领域技术人员来说，附图中某些已知结构及其说明可能省略是可以理解的。
37.下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。
38.本技术提供的基于单窃听者半双工协作noma系统中的安全中断概率分析是在图1的场景下实现的。其中bs表示中继，ue1表示中心用户，也是中继用户，ue2表示次远端用户，ue3表示最远端用户，e表示窃听者。hr表示基站和中继用户之间的信道参数，分别表示中心用户与ue2，ue3和窃听者之间的信道参数，且假设其信道增益均服从指数分布。
39.本发明实施提供的基于单窃听者半双工协作noma系统中的安全中断概率分析方法具体包括以下步骤：
40.s1.基站发送关于中继用户和远端用户的叠加编码信号到中继用户，基站发送的叠加信号可以表示为：
[0041][0042]
其中x1，x2，x3分别表示中继用户，次远端用户和最远端用户的信号，ps为基站的发送功率。
[0043]
s2.中继用户接收来自基站的信号，并采用串行干扰消除sic进行解码，其中中继用户接收到的信号可以表示为：
[0044]
yr＝hrx+n1(2)
[0045]
然后中继用户对接收到的信号采用sic进行解码，对于半双工工作模式而言，中继用户依次解码最远端用户信号，次远端用户信号和中继用户，且解码信号时的sinr分别为：
[0046][0047][0048]
γ1＝a1|hr|2ρ(5)
[0049]
其中表示基站的信噪比(signaltointerferenceratio,snr)。
[0050]
s3.中继用户发送新的远端用户叠加编码信号，则中继用户转发的叠加信号为:
[0051]
[0052]
其中pr为中继用户的发送功率，且有pr＝ps，表示中继用户处的snr。
[0053]
s4.远端用户和窃听者接收来自中继用户的信号，远端用户采用sic解码信号，窃听者采用平行干扰消除plc解码接收信号。具体而言，由于无线传输的广播性，所以小区内的用户都会接收到来自中心用户转发的信号，自然远端用户和窃听这也都会接收到远端用户的信号。最远端用户接收到来自中继用户的信号为：
[0054]
y3＝h
1，3
y+n3(7)
[0055]
最远端用户解码最远端用户信号的sinr为：
[0056][0057]
次远端用户接收到来自中继用户的信号为：
[0058]
y2＝h
1，2
y+n2(9)
[0059]
次远端用户采用sic解码信号，次远端用户解码最远端用户信号和次远端用户信号的sinr分别为
[0060][0061]
γ2＝b1|h
1,2
|2ρ(11)
[0062]
窃听者接收到来自中继用户的信号为：
[0063]
ye＝h
1,e
y+ne(12)
[0064]
然后窃听者通过并行干扰消除(parallelinterferencecancellation,plc)解码接收信号，则在窃听者处解码远端用户信号的sinr为：
[0065][0066]
s5.根据香农公式，获得合法用户和窃听者的可实现速率，对于窃听者而言，其速率可以表示为
[0067][0068]
对于合法用户而言，当中继用户工作在半双工模式时，次远端用户和最远端用户的可实现速率分别为:
[0069][0070][0071]
s6.获得远端用户的保密速率，然后通过数值计算获得远端用户的安全中断概率闭式表达式，其中远端用户的保密速率为：
[0072][0073]
其中[x]
+
＝max{x,0}。然后通过数值计算获得系统的中断概率闭式表达式。具体为中继用户的中断概率和远端用户的安全中断概率。
[0074]
第一步，计算中继用户的中断概率，中继用户只有在同时成功解码远端用户的信号和中继用户的信号时才不会发生中断，当中继用户工作在半双工模式时，中继用户的中断概率可以表示为：
[0075][0076]
其中表示用户的服务质量要求，λr表示基站与中继用户之间的信道增益服从参数为λr的指数分布。
[0077]
第二步，计算远端用户的安全中断概率，远端用户的保密中断概率为远端用户的速率都小于用户服务质量要求的补，当中继用户工作在半双工模式时，远端用户的安全中断概率具体可以表示为：
[0078][0079]
目前难以求得公式(1)的闭式解，因此考虑高信噪比的情况，当snr趋于无穷时，由此可得：
[0080]
[0081]
其中则基于单窃听者半双工协作noma系统的安全中断概率为：
[0082][0083]
s7.根据安全中断概率，推导得到远端用户的最小防窃听服务质量要求。经过对数据传输过程的研究发现，由于计算的是安全中断概率，所以当远端用户处不发生中断时，窃听者一定不能窃取远端用户的信号，通过计算可得，当远端用户的服务质量要求满足以下条件时，
[0084][0085]
可以有效防止远端用户信号泄露。
[0086]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。