联合多用户调度与友好干扰的功率资源分配优化研究.pdf
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1、710 Radio Communications TechnologyVol.49 No.4 2023doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.04.016引用格式:浦寅飞.联合多用户调度与友好干扰的功率资源分配优化研究J.无线电通信技术,2023,49(4):710-717.PU Yinfei.Power Resource Allocation Optimization Analysis of Joint Multiuser Scheduling and Friendly Jammer J.Radio Communi-cations Technology,2023,
2、49(4):710-717.联合多用户调度与友好干扰的功率资源分配优化研究浦寅飞(南京邮电大学 通信与信息工程学院,江苏 南京 210003)摘 要:物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术是一种利用无线信道固有物理属性来保护无线信道免受非法窃听的有效手段,受到了人们的广泛关注。因此,研究了联合多用户调度与友好干扰的功率资源分配优化问题,考虑存在信道估计误差以及多个窃听者通过协作方式获机密信息的情况,联合多用户调度策略与友好干扰选择,提出了联合多用户调度和随机干扰选择(Multiuser Scheduling and Random Jammer Selectio
3、n,MS-RJS)方案和联合多用户调度和最佳干扰选择(Multiuser Scheduling and Optimal Jammer Selection,MS-OJS)方案,即选择最佳用户向基站传输机密信息的同时,选择友好干扰发射人工噪声降低窃听者的性能,并将传统多用户调度(Conventional Multiuser Scheduling,CMS)方案作为基准方案。对此,在通信系统总功率受限的情况下,以最小化所提方案的窃听概率和中断概率之和为目标,构建最佳用户与友好干扰之间的功率资源分配优化问题,并设计了一种基于黄金搜索的最佳功率分配迭代算法。实验结果表明,带有最佳功率分配因子的 MS-RJ
4、S 方案和 MS-OJS 方案相比于 CMS 方案具有显著的性能优势。关键词:多用户调度;友好干扰;物理层安全;功率资源分配中图分类号:TN911.1 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)04-0710-08Power Resource Allocation Optimization Analysis of Joint Multiuser Scheduling and Friendly JammerPU Yinfei(College of Communications and Information Engineering,Nanji
5、ng University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)Abstract:Physical Layer Security(PLS)is an effective means to protect wireless channels from illegal eavesdropping by exploi-ting inherent physical properties of wireless channels,and has received widespread attention.Therefore,the p
6、ower resource allocation op-timization of joint multiuser scheduling and friendly jammer is examined.Considering the existence of channel estimation errors and the cooperative acquisition of confidential information by multiple eavesdroppers,with the combination of the joint multiuser scheduling and
7、 friendly jammer,the joint Multiuser Scheduling and Random Jammer Selection(MS-RJS)scheme and the joint Multiuser Scheduling and Optimal Jammer Selection(MS-OJS)scheme are proposed,while the Conventional Multiuser Scheduling(CMS)scheme is consid-ered as a benchmark.That is,while the optimal user tra
8、nsmits confidential information to the base station,friendly jammer emits artifi-cial noise to reduce the eavesdroppers performance.Based on the closed-form analysis,under the constraint that the total power of the communication system,with the goal of minimizing the sum of the intercept probability
9、 and outage probability of the proposed schemes,an optimal power resource allocation problem between the optimal user and friendly jammer is formulated to further enhance the commu-nication security of the network,and an optimal power allocation iterative algorithm based on the golden search is desi
10、gned.Simulation results show that the MS-RJS scheme and MS-OJS scheme with optimal power allocation factor have significant performance advantages compared to the CMS scheme.Keywords:multiuser scheduling;friendly jammer selection;physical-layer security;power resource allocation收稿日期:2023-03-262023年第
11、49卷第4期无线电通信技术711 0 引言无线通信技术已被广泛应用于各种领域,并成为人们日常生活中不可缺少的通信方式。然而,由于无线电传播的广播特性,通过无线通信网络传播有用信息使信息传输极易受到窃听,信息安全风险难控。无线网络的传统安全通信技术通常由基于密码学的网络安全协议保护,即密钥协商和密钥分配,但这存在技术漏洞,会导致高计算复杂度和处理延迟。因 此,物 理 层 安 全(Physical Layer Security,PLS)技术应运而生,对研究无线通信网络的机密信息保护具有重要意义。PLS 技术是一种完全不同的安全协议,不需要密钥协商和密钥分配。通过利用无线信道的信息理论和固有物理特性
12、,PLS 技术已经发展成为保护无线通信免受窃听的有效手段1,实现信号传输速率最大化,而不会向窃听者泄露任何机密信息。作为传统安全技术的替代或补充,PLS 技术在近十年开始复苏,受到学术界和工业界的广泛关注。为了增强无线衰落信道下合法通信信道的安全容量,降低窃听者的窃听信道容量,研究人员引入了各种 PLS 技术,包括多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)2-3、人工噪声4-5、波束成型6、协作中继7-8、多用户调度9-11和友好干扰12-14等技术手段。由于频谱资源紧缺,多数情况下合法用户需要分享同一个频谱,每个用户的信道信噪比具有较大的差异,相关
13、科学家提出了利用多用户调度的方法,在不消耗额外资源的情况下增强无线系统的通信安全。同时,干扰技术作为一种有效的 PLS 解决方案,通过无线网络中的友好干扰产生人工干扰信号以恶化窃听信道质量来帮助合法用户。尽管在文献1-14中,PLS 技术在具有完美信道状态信息(Channel State Information,CSI)的情况下得到了很好的研究,但较少关注更为实际的不完美 CSI情况15-17。本文旨在将多用户调度策略和干扰技术的优势相结合,针对存在信道估计误差的不完美 CSI 情况下,考虑一个联合多用户调度和友好干扰的上行链路网络模型,提出了两种友好干扰策略,分别是联合多用户调度和随机干扰选
14、择(Multiuser Scheduling and Random Jammer Selection,MS-RJS)方案和联合多用户调度和最佳干扰选择(Multiuser Scheduling and Optimal Jammer Selection,MS-OJS)方案,其中,在多用户通信网络中,在选择具有最佳信道的合法用户发送机密信息到基站的同时,通过友好干扰发送人工噪声对多个窃听者进行干扰。同时,在合法用户和友好干扰总功率受限的约束下,推导了所提方案的窃听概率(Intercept Probability,IP)与中断概率(Outage Probability,OP)的近似闭式表达式,并提出
15、了一种最小化 IP 与 OP 之和的功率资源分配迭代算法。在仿真实验中,印证了带有最佳功率分配(Optimal Power Allocation,OPA)因子的 MS-RJS 方案和 MS-OJS 方案相比于 CMS 方案在安全可靠折中(Security-Reliability Tradeoff,SRT)性能方面的优越性。1 模型描述如图 1 所示,本节考虑的无线通信系统模型包含一个带有 NB个接收天线的基站(Base Station,BS)、L 个带有 NE个接收天线的窃听者(El,l=1,2,L)以及 M 个带有一个发射天线的合法用户(Ui,i=1,2,M)构成。该系统主要研究由合法用户到
16、 BS 的上行链路通信情景,在情景中,由于无线电传播的广播特性,有 L 个窃听者随时可能入侵上行链路以获取用户和 BS 之间传输的保密信息。将 M 个合法用户简写为 U=Ui|i=1,2,M,假设任意两点间的无线信道均为独立的带估计误差的瑞利衰落信道,且所有接收方均具有噪声均值为零和方差为 N0的加性高斯白噪声,在 BS 接收到的噪声简写为 nbCN(0,N0),同理,在窃听者 El接收到的噪声简写为 neCN(0,N0)。图 1 MS-RJS 系统模型Fig.1 System model for MS-RJS考虑到主信道信息传输的保密性,通过友好干扰人为地干扰窃听者 El,BS 信号接收不受
17、影响的同时,窃听者 El的信道容量最低,即一个合法用户 Ui712 Radio Communications TechnologyVol.49 No.4 2023在发送信息的同时,其他合法用户作为友好干扰向窃听者 El发送人工噪声。假设人工噪声由伪随机序列产生,BS 已知其编码规律,而窃听者 El未知,因此合法接收的 BS 可以消除人工噪声,而窃听者El会被严重干扰,同时假设只选取一个合法用户作为友好干扰 Um,并仅有此一个友好干扰。由于合法用户 Ui和友好干扰 Um总功率受约束为 PU,假设合法用户 Ui以功率 PU发送信息 xi,友好干扰以功率(1-)PU发送人工噪声 xm,其中 是功率分
18、配因子,且 的取值 0 1。考虑 BS 采用最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)方式接收信号,则BS 接收到的信号可表示为:yib=NBj=1hibjPUxi+nb,(1)式中:hibj代表合法用户 Ui到 BS 接收天线 j 间信道的瞬时衰落增益。考虑信道估计误差,假设估计误差方差已知,则合法用户 Ui到 BS 接收天线 j 间信道的瞬时衰落增益的真实值 hibj可以表示为:hibj=hibj-eibj,(2)式中:hibj代表合法用户 Ui到 BS 接收天线 j 间信道的瞬时衰落增益,这表示 BS 接收信号时测得的信道衰落增益,eibj代表合法用户 Ui到
19、BS 接收天线 j间信道的估计误差。假设 BS 不同接收天线的信道估计误差 eibj均为独立的零均值和方差为 2eib的高斯随机变量。考虑到人工噪声也存在信道估计误差,BS 并不能完美消除,结合式(1)和式(2),则 BS接收到的信号可进一步表示为:yib=NBj=1hibjPUxi-NBj=1eibjPUxi-NBj=1embj(1-)PUxm+nb,(3)式中:embj代表友好干扰 Um到 BS 接收天线 j 间信道的估计误差。假设基站不同接收天线的信道估计误差 embj为独立的零均值和方差为 2emb的高斯随机变量。那么,可以得到在 BS 的信干噪比(Signal-to-Interfer
20、ence-plus-Noise Ratio,SINR)为:SINRb=NBj=1hibj2PUNBj=1E(eibj2PU+(1-)embj2PU)+N0,(4)式中:信道估计误差 eibj与 embj未知。干扰项的期望为:NBj=1E(eibj2PU+(1-)embj2PU)=NBPUE(eibj2+(1-)embj2)=NBPU(2eib+(1-)2emb)。(5)根据 Shannon 信道容量定理18,可以得到友好干扰 Um辅助下合法用户 Ui到 BS 间信道的信道容量为:CUmib=lb 1+NBj=1hibj2sQ1(),(6)式中:Q1=NBs(2eib+(1-)2emb)+1,s
21、=PU/N0为信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)。由于无线电传播的广播特性,那么合法用户 Ui到 BS 接收天线 j的信号传输可能也被窃听者 El所入侵并窃取机密信息,考虑 L 个窃听者相互合作的情况,L 个窃听者接收到的信号可以表示为:yie=Ll=1NEk=1hiekPUxi+Ll=1NEk=1hmek(1-)PUxm-Ll=1NEk=1eiekPUxi-Ll=1NEk=1emek(1-)PUxm+ne,(7)式中:hiek与 hmek分别代表合法用户 Ui与 Um到窃听者 El接收天线 k 间信道的瞬时衰落增益,eiek与emek分别代表合法用户 Ui与 Um到
22、窃听者 El接收天线 k 间信道的估计误差大小。假设 BS 不同接收天线的信道估计误差 eiek与 emek均为独立的零均值高斯随机变量,方差分别为 2eie和 2eme,根据 Shannon 信道容量定理18,可以得到在友好干扰 Um辅助下合法用户Ui到 L 个窃听者间信道的瞬时信道容量为:CUmie=lb1+Ll=1NEk=1hiek2sLl=1NEk=1hmek21-()s+Q2(),(8)式中:Q2=LNEs2eie+(1-)2eme+1。根据文献19,当通信系统中窃听信道的瞬时容量大于总速率(R0)和安全速率(Rs)之间的差值,窃听者 El收到未解码的传输信号,从而窃听事件发生,而当
23、主信道的瞬时容量低于数据传输的安全速率 Rs时,接收者无法正确接收传输信号,通信系统发生中断事件。综上所述,合法用户 Ui到窃听者 El链路的 IP,合法用户 Ui到 BS 链路的 OP 可以表示为:Pint=Pr(CieRo-Rs),(9)Pout=Pr(CibRo)。(10)2023年第49卷第4期无线电通信技术713 2 基于 MS-RJS 的功率资源分配优化2.1 联合多用户调度和随机干扰选择方案考虑无线网络中 BS 到窃听者 El处的 CSI 无法获取,先选择一个瞬时主信道容量最大的合法用户Ui作为最佳用户 Uo进行信号传输,再随机选择另一个合法用户 Ui作为友好干扰 Um发射人工噪
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