環境反向散射輔助NOMA網絡的隱蔽性能分析

杜劉通，文富鵬，張 碩，喬大偉，黃涂半特

(1.中國信息通信研究院 移動通信創新中心，北京 100191；2.北京計算機技術及應用研究所，北京 100191；3.金磚國家未來網絡研究院中國分院國際合作部，廣東 深圳 518045；4.河南理工大學 應急管理學院，河南 焦作 454000；5.金磚國家未來網絡研究院中國分院，廣東 深圳 518045)

0 引言

隨著第五代移動通信技術(5G)爆炸性的數據增長和接入需求,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)通過在發送端疊加編碼,在接收端使用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation, SIC)對疊加信息進行解碼,可以提高頻譜效率和接入量[1-2]。憑借其優點,NOMA吸引了眾多研究者的關注,成為5G及以后無線網絡中最具前途的無線接入技術之一[3-5]。然而,由于無線通信的開放性,傳統的安全通信技術已經不能滿足信息安全傳輸的需求[6],如何保證通信安全已成為NOMA系統的主要挑戰之一。為了提高通信系統信息傳輸的安全性,一種可以隱藏無線信息傳輸過程的隱蔽通信方案受到了廣泛關注[7-9]。

為提高通信系統的安全性與隱私性,有學者在NOMA系統中引入了隱蔽通信。文獻[10]提出了NOMA網絡框架下隱蔽通信的系統模型,表明NOMA對實現隱蔽通信有著積極作用。文獻[11]研究了基于NOMA的車載網絡中外加干擾節點的隱蔽通信問題,提出了最大化有效隱蔽率(Effective Covert Rate, ECR)的優化方案。文獻[12]在此模型上考慮了多天線干擾器對隱蔽通信的影響,研究結果表明,提高干擾機的最大干擾功率可以提高系統的隱蔽性能。此外,在上行NOMA系統中,文獻[13]利用能量收集干擾器輔助隱蔽通信,通過聯合優化發射功率和時間切換因子,使得ECR最大化。然而,傳統的有源傳輸技術存在能量消耗較大和使用成本較高的問題,因此,尋找一種高效、經濟、節能的解決方案迫在眉睫。

近年來,環境反向散射通信(Ambient Backscatter Communication, AmBC)技術的發展為解決頻譜資源短缺和設備續航能力不足提供了可行性方案[14]。利用AmBC技術,被動式反射設備可以從周圍環境的射頻信號中吸收能量實現電路激活,通過切換天線阻抗改變反射信號的幅度和相位實現信息傳輸[15]。相比于傳統的主動式通信技術,AmBC技術不需要高功耗的主動式射頻模塊和專用的射頻激勵、通信載波,進而能夠提高通信能量效率,滿足物聯網(Internet of Things, IoT)設備低功耗、長續航的需求[16]?；诖?有學者開展了AmBC技術與隱蔽通信相結合的研究。文獻[17]的研究表明,AmBC在加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN)信道上的極限隱蔽速率受制于眾所周知的平方根定律。Liu等[18]研究了存在不可控射頻源和全雙工接收機的AmBC網絡的隱蔽性能,全雙工接收機在接收信息的同時發射具有隨機功率的人工噪聲,干擾監視器的通信行為檢測。此外,文獻[19]考慮了多天線標簽,并將其分為傳輸隱蔽信息和傳輸公開信息兩部分,以提高網絡的隱蔽性能。

上述大部分工作在AmBC輔助的隱蔽通信方面往往只考慮單一用戶的情況。隨著IoT的飛速發展,多任務通信場景成為了人們關注的重點,AmBC輔助的隱蔽通信和NOMA的結合,可以實現綠色節能、高頻譜效率地信息傳輸。文獻[20]提出了一種AmBC-NOMA系統的框架,并證明所提出的系統比正交多址接入(Orthogonal Multiple Access, OMA)情況具有更好的用戶公平性。文獻[21]提出使用NOMA方案支持多個反向散射節點設備連接。結果表明,NOMA在AmBC系統中實現了更好的性能提升。文獻[22]提出了一種AmBC共生NOMA系統,該系統將下行鏈路NOMA系統與反向散射設備相結合,并對系統的中斷性能進行探究。文獻[23]研究了存在多種非理想因素下,AmBC-NOMA系統的物理層安全性能。

以上研究體現了AmBC-NOMA系統在保密通信、頻譜效率和中斷性能等方面的優勢,但是對隱蔽通信性能方面的研究還處于空白,體現了本次研究內容的必要性。

本文的研究工作和主要貢獻如下:

① 提出一種基于AmBC-NOMA系統的隱蔽通信方案,其中射頻源發射滿足均勻分布的隨機功率信號,以此對監測者的檢測進行干擾。

② 計算出監測者檢測錯誤概率的精確表達式,推導出最佳檢測閾值和對應的最小檢測錯誤概率。計算得到NOMA用戶中斷概率(Outage Probability, OP)的閉式表達式,揭示了最大發射功率、功率分配系數對系統中斷性能的影響。

③ 將系統最大化ECR轉化為優化功率分配系數的問題。在隱蔽性約束和可靠性約束條件下最大化系統ECR,實現系統中隱蔽性和可靠性之間的平衡。

1 系統模型

本節首先詳細介紹了系統模型和相關假設,其次為了提高系統隱蔽性能,設計了干擾策略,最后描述了NOMA用戶的信息傳輸過程。

圖1為AmBC輔助NOMA系統模型。射頻源(Alice)通過直接鏈路和經由反向散射設備(Tag)傳輸的反射鏈路將公共信息和隱蔽信息分別發送給合法用戶(Carol)和隱蔽用戶(Bob)。同時,監測者(Willie)使用功率檢測器,被動檢測Alice與Bob之間是否發生了通信行為。為了防止Willie檢測到通信行為,Alice與Carol之間的正常通信為Alice與Bob之間的隱蔽通信作掩護。

圖1 系統模型Fig.1 System model

本文采用以下假設:

1.1 干擾策略

如果將Alice的發射功率Pa設置為固定值,那么Willie將會通過多次檢測獲得發射功率值,從而輕易檢測到Alice和Bob之間的通信行為,導致Alice和Bob之間的隱蔽通信無法實現。因此,Alice引入隨機發射功率,可以讓Willie的接收功率產生不確定性,從而干擾Willie對隱蔽通信行為的檢測,假設Pa在每個時隙之間隨機變化,服從[0,Pmax]上的連續均勻分布,其概率密度函數(Probability Density Function, PDF)表示為:

(1)

式中:Pmax為Pa的最大值,Willie僅已知Pa的分布,未知瞬時值,有助于實現Alice與Bob之間的隱蔽通信。

1.2 信息傳輸

Alice向Carol發送公共信息的同時會向Bob發送隱蔽信息,因此Alice給NOMA用戶(Bob和Carol)發送的疊加信息可以表示為:

(2)

式中:xb(k)、xc(k)分別表示發送給Bob和Carol的合法信息,且滿足(|xb(k)|2)=(|xc(k)|2)=1;Pb=αPa表示用來給Bob傳輸信息的發射功率,Pc=(1-α)Pa表示用來給Carol傳輸信息的發射功率,α表示Alice的功率分配系數。為了保證系統性能和NOMA用戶之間的公平,Carol將會比Bob分配到更多的發送功率,即0<α≤0.5。Tag使用自己的消息c(k)將來自Alice的信號反向散射給Bob和Carol。因此,Bob和Carol處接收到的信號包括來自Alice的直接鏈路信號和來自Tag的反向散射鏈路信號。Bob和Carol處接收到的信號可以表示為:

(3)

(4)

2 Willie的檢測指標

本節詳細分析了Willie的檢測性能,推導出檢測錯誤概率以及用戶OP的閉式表達式,最終求解出Willie的最佳檢測閾值和最小檢測錯誤概率。

2.1 Willie接收信號

在一個通信時隙中,Willie根據接收到的信號判斷Alice是否與Bob存在通信行為,可以視為一個二元假設檢驗。因此,Willie接收到的信號可以表示為:

(5)

(6)

Willie采用功率檢測器對通信行為進行檢測,基于奈曼-皮爾遜準則,以Willie處的平均接收功率為檢驗統計量來最小化Willie的檢測錯誤概率,決策規則可以表示為:

(7)

(8)

式中:|Haw|2=|hat|2·|htw|2。

Willie的檢測錯誤概率決定其檢測性能的優劣。因此,檢測錯誤概率可以表示為:

(9)

2.2 檢測錯誤概率

Willie的虛警概率PFA和漏檢概率PMD表示為:

PFA=Pr((|haw|2Law+|β|2|Haw|2LatLtw)(1-α)Pa+σ2≥τ)=

(10)

PMD=Pr((|haw|2Law+|β|2|Haw|2LatLtw)Pa+σ2≤τ)=

(11)

Willie的檢測錯誤概率可以表示為:

(12)

很明顯,Willie最優檢測閾值的選擇不會出現在[0,σ2)和(ρ2,+∞)。當τ∈[σ2,ρ1]時,ξ是關于τ的連續遞減函數,此時,Willie的最優閾值設置為ρ1。當τ∈(ρ1,ρ2],ξ是關于τ的連續遞增函數,此時,Willie的最優閾值設置為ρ1。因此,Willie的最優檢測閾值τ*=ρ1,相應的最小檢測錯誤概率ξ*=1-α。結果表明,功率分配系數α對系統隱蔽性能有重要影響。當α→1時,Willie總是會檢測到Alice和Bob之間的通信行為,不會實現隱蔽通信;當α→0時,雖然可以保證隱蔽通信的實現,但是此時Alice的發射功率都將分配給Carol,無法為Bob傳輸隱蔽信息。

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2.3 連接中斷概率

根據NOMA中的SIC方案,Bob首先解碼Carol的信息xc(k),然后從接收到的信號中消除Carol的信息,再解碼自己的信息。因此,在Bob處解碼Carol信息xc(k)的信干噪比(Singal to Interference plus Noise Ratio, SINR)可以表示為:

(13)

Bob成功解碼Carol信息并將其去掉后解碼自己的信息。此時,Bob解碼自己信息xb(k)的SINR可以表示為:

(14)

Carol將其他信息視為干擾來解碼自己的信息xc(k),其SINR可以表示為:

(15)

用rc=2Rc-1表示Carol的目標SINR,當xc(k)的傳輸速率低于預設的目標速率Rc時將無法成功解碼信號,信息傳輸出現中斷。此時,Carol處OP的閉式形式表達式為:

(16)

可以看出,當μ<α≤1時,Carol的OP為1,因為此時α值較大,使得Carol的接收SINR小于其設定的目標SINR。

(17)

2.4 系統隱蔽性能

以系統最大ECR為目標,在一定隱蔽性約束和可靠性約束條件下,優化功率分配系數α實現系統ECR最大化,優化問題可以表示為

(18)

式中:ε是預設的隱蔽約束閾值,為一較小的常數,δth為預設的Carol最大OP。

3 結果與討論

本節通過蒙特卡洛證明了理論分析的正確性。在仿真實驗中,假設所有直聯鏈路的路徑損耗因子η1為2.5,所有級聯鏈路的路徑損耗因子η2為3,各個節點之間的距離分別為dab=dtb=3 m、daw=dtw=4 m、dac=6 m、dat=2 m、dtc=5 m。此外,Bob和Carol的預設速率為Rb=Rc=1 b/s/Hz,噪聲功率σ2=-30 dBm。

圖2給出了虛警概率PFA、漏檢概率PMD和檢測錯誤概率ξ隨檢測閾值τ的變化曲線?？梢钥闯?PFA隨著檢測閾值τ的增加而減小,PMD隨著檢測閾值τ的增加而增加,最終增加至1保持不變。當τ繼續增大,PFA下降為0,ξ僅由PMD決定,ξ開始上升,出現拐點,該拐點τ使得ξ最小,即為τ*,其對應的檢測錯誤概率即為最小檢測錯誤概率ξ*。當τ固定時,α的減小使得PFA增加,這是因為α的減小導致Alice向Carol傳輸信息時的發射功率變大,對Willie來說同等條件下出現虛警的概率會增加;不同的是,PMD不受α的影響。

圖2 不同錯誤概率與檢測閾值τ的關系Fig.2 Different error probabilities versus detection thresholds τ

圖3給出了α對OP影響的理論分析和蒙特卡洛曲線?？梢钥闯?理論分析和蒙特卡洛曲線完美吻合,并且Carol的OP隨著α的增加而增加,而Bob的OP先減小后增加,并且最終都達到1。這是因為隨著α的增加,分配給遠用戶Carol的發送功率減小,OP上升;由于Bob需要先對Carol的信息進行解碼,只有在成功解碼后才能解碼自身的信息。因此,α的增加使得傳輸Bob信息的功率增大,傳輸Carol信息的功率減小,導致Bob成功解碼Carol信息的概率降低,在某一范圍中,會使得Bob解碼自身信息的OP取得最小值,從而呈現先減小后增大的曲線。此外,在α固定時,增大發射功率可以顯著增加用戶的中斷性能。

圖3 OP與功率分配系數α的關系Fig.3 OP versus power allocation factors α

圖4給出了在不同隱蔽性約束閾值ε和可靠性約束閾值δth下,系統最大ECR隨Pmax變化的曲線?？梢钥闯?系統ECR和ε正相關,隨著ε的增加,系統ECR顯著增加。當ε固定時,放松對可靠性的要求,即δth增加,在一個確定的Pmax范圍內,會增加分配給隱蔽用戶的功率。因此,可以通過較小的發射功率產生滿足約束要求的最大ECR,但超出該范圍后,并不影響最大ECR。此外,隨著Pmax的增加,系統最大ECR先增加然后趨于定值。

圖4 最大ECR與最大發射功率Pmax的關系Fig.4 Maximum ECR versus maximum transmit powers Pmax

4 結束語

本文研究了AmBC-NOMA網絡下的隱蔽通信性能。在瑞利衰落條件下,Alice通過發射隨機功率,增加Willie檢測的不確定性。通過推導最小檢測錯誤概率以及NOMA用戶OP的精確表達式,得到了在滿足隱蔽性要求和服務質量的條件上的系統最大ECR。仿真結果表明,AmBC-NOMA網絡下的隱蔽通信方案可以實現良好的隱蔽速率。此外,本文的通信方案有較好的參考價值,可以擴展到NOMA多用戶場景,對未來多用戶隱蔽通信的研究具有重要意義。