满足通信安全条件下一种优化用户速率算法.pdf
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1、0引言作为提高通信安全的有效技术,物理层安全技术得到广泛研究1。传统的加密技术依赖于监听者的通信功率。与传统的加密技术不同,物理层安全技术利用无线信道的物理特性,维护了通信的安全。针对无线系统的通信安全,研究者进行了大量研究。文献 2 针对存在多监听者的单用户的多输收稿日期:2022-04-17修回日期:2022-06-29作者简介:谢旭东(1989),男,湖南邵阳人,硕士,讲师。研究方向:通信技术、信息安全。摘要:针对多用户下行链路的通信安全问题,提出基于 D2D 协作的满足通信安全的优化用户速率算法(USCD)。假定在多用户下行链路系统中存在多条带外的 D2D 信道,每条信道选择合法用户将
2、从下行链路所接收的信号进行放大,并转发至其他合法用户。该系统中存在一个关键技术问题:监听者能够窃听到下行链路以及 D2D 协作链路中所传输的信号。为了解决此监听者窃听问题,USCD 算法通过联合优化下行链路的预编码,人工噪声协方差和信号放大系数型,进而在保证通信安全的基础上,最大化用户的最小速率。仿真结果表明,提出的 USCD 算法的性能优于基准算法。关键词:多用户下行链路;D2D 协作;安全通信;人工噪声;矩阵分式规划中图分类号:TN929.5文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1002-0640.2023.06.024引用格式:谢旭东.满足通信安全条件下一种优化用户速率算法
3、 J.火力与指挥控制,2023,48(6):152-156.满足通信安全条件下一种优化用户速率算法谢旭东(国家税务总局税务干部学院,长沙410116)An Optimal User Rate Algorithm Meeting SecureCommunication ConditionsXIE Xudong(National Tax Institute of STA(Changsha),Changsha 410116,China)Abstract:For secure communication in multi-user downlink systems,optimal user rate
4、algorithmfor secure communication based D2D Cooperation(USCD)is proposed.In the multi-user downlinksystems,it is assumed that there are out-of-band device-to-device(D2D)channels,the legitimateusers are selected by each channel to amplify the received signals from the downlink and to transmitthem to
5、the other legitimate users.A key technical problem exists in the system.The listeners caneavesdrop the signals from the downlink as well as D2D cooperation link.In order to tackle theeavesdropping problem by the listeners,USCD algorithm jointly optimizes the downlink precoding,artificial noise covar
6、iance,and amplification coefficient type of signals to maximize the minimum rate ofusers.The simulation results show that the performance of the proposed algorithm is better than that ofbenchmark algorithm.Key words:multi-user downlink;D2D cooperation;secure communication;artificial noise;matrixfrac
7、tional programmingCitation format:XIE X D.An optimal user rate algorithm meeting secure communication conditionsJ.Fire Control&Command Control,2023,48(6):152-156.文章编号:1002-0640(2023)06-0152-05Vol.48,No.6Jun,2023火 力 与 指 挥 控 制Fire Control&Command Control第 48 卷第 6 期2023 年 6 月152(总第 48-)入单输出系统,研究了传输功率的协
8、方差的优化问题。文献 3 讨论了前传链路量化噪声的设计问题;文献 4 讨论了非正交多址接入的应用问题;文献5讨论了超可靠低时延通信的短数据包传输问题;文献 6 讨论了量化信道状态信息的影响。然而,上述研究工作并没有关注基站至用户的下行链路的通信安全以及用户速率最大化问题。为此,本文针对多用户下行链路系统,研究了用户间协作机-机(D2D)对通信安全和用户速率的影响,并提出基于 D2D 协作的最大化用户最小速率算法USCD。USCD 算法在满足传输功率和信息泄露约束条件下,通过联合优化下行链路的预编码、人工噪声方差和信号放大系数,提高用户的最小速率,确保通信的安全。1系统模型考虑多用户系统,其由一
9、个基站 BS、KL个合法单天线用户和 KE个单天线监听者,且 BS 具有 M 架天线。这些监听者窃听合法用户传输的消息,威胁到基站与用户间的通信安全。图 1系统模型Fig.1System model网络模型如图 1 所示。假定 KL个用户在 N 个带外协作 D2D 链路上协作数据传输。此外,KL个合法用户、KE个监听者和 N 个 D2D 链路分别构成集、和。令 yL,k,0表示第 k 个合法用户从下行链路上所接收的信号,其中,下标 L、k 和 0 分别表示“合法”、接收用户者的索引号和下行链路。(1)式中,表示从基站至第 k 个合法用户间信道矢量;xB表示基站传输的信号矢量;zL,k,0表示加
10、性噪声变量,且其服从均值为零、方差为 滓2的正态分布。此外,传输的信号矢量 xB满足功率约束,其中,表示期望操作。假定通过第 n沂N 个 D2D 信道,第 jn个合法用户将信号传输至除 jn外其他合法用户。因此,第 k 个合法用户()所接收的信号为:(2)式中,表示从第 jn个合法用户至第 k 个合法用户信道响应;为传输信号,且满足功率约束:。值得注意的是:KE个监听者能够感知和监听下行链路和 D2D 通信信号。令表示第 m 个监听者所监听的信号,其定义如式(3)所示:(3)式中,表示从基站至第 m 个监听者的信道矢量;表示加性噪声,且其服从均值为零、方差为 滓2的正态分布。类似地,监听者从
11、D2D 链路中所监听的信号为:(4)式中,表示从第 jn个合法用户至第 m 个监听者间信道增益;为加性噪声变量,且其服从均值为零、方差为 滓2的正态分布。2安全的下行链路和 D2D 协作链路2.1基于人工噪声融入的安全下行链路在下行链路中,在 BS 传输的信号 上叠加干扰噪声,增加监听者解码信号 的难度,进而提高下行链路的安全。因此,BS 传输由线性预编码和人工噪声叠加的信号 xB,其定义如式(5)所示:(5)式中,表示向第 个合法用户传输的信号;表示对信号 的预编码矢量;nB表示叠加的噪声。nB服从均值为零、方差为 QB的正态分布,其中,QB为协方差矩阵。由于 xB满足功率约束,式(5)成立
12、:(6)2.2D2D 协作链路在第 n 个 D2D 信道(n沂N),第 jn个合法用户先对其接收的信号进行放大,再向其余的合法用户广播放大后的信号。因此,可将 jn传输的信号表述为:,其中,表示放大系数。由于满足功率约束,式(7)谢旭东:满足通信安全条件下一种优化用户速率算法1531107(总第 48-)火 力 与 指 挥 控 制2023 年第 6 期成立:(7)式中,其中。2.3用户获取的速率依据 2.1 节和 2.2 节的分析可知,第 k 个合法用户(nk)可分别通过下行链路所接收的信号和 D2D信道上所接收的信号解码信号 sk。结合下行链路和 D2D 协作信道上所接收的信号,第 k 个合
13、法用户(nk)可获取的速率 Rk9.9-32:(8)式中,表示互信息;其中,且;。其中,。依据文献 7,对信息论的隐私进行约束:(9)式中,、表示第 m 个监听者分别从下行链路、D2D 信道上所接收的信号。式(9)的左边测量了信号 sk被泄露至第 m 个监听者的信息(泄露信息)。通过式(9)约束,使每个合法用户与监听者间的泄露信息不超过预定值 茁。依据式(8),对式(9)进行改写:(10)式中,;。3最大化用户速率的优化问题为了最大化用户的最小速率,建立最大化用户速率的优化问题。由于系统中存在多个用户,最大化用户的最小速率,即最大化 Rmin值,其中,。USCD 算法通过优化预编码矢量 v、人
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