彭藝， 馬曉霖， 楊青青

1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500

2.云南省計算機技術(shù)應用重點實驗室，云南 昆明 650500

非正交多址接入（NOMA，non-orthogonal multiple access）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)海量設備接入、高吞吐量以及低時延，有效地利用正交資源塊、提高頻譜效率等（Wu et al.，2018）。NOMA 技術(shù)在發(fā)射端采用非正交方式發(fā)送疊加編碼，考慮設備間相互干擾，利用串行干擾消除（SIC，successive interference cancellation）接收機實現(xiàn)準確解碼（Chen et al.，2019）。另一方面，認知無線電（CR，cognitive radio）技術(shù)通過感知授權(quán)頻譜的工作情況，使得非授權(quán)用戶也可以接入授權(quán)頻譜通信，大幅度提升了頻譜利用率（Pei et al.，2020）。所以，目前已有較多文獻對CR-NOMA 系統(tǒng)進行了研究。文獻（Tregancini et al.，2020）研究了放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作CR-NOMA 網(wǎng)絡的中斷性能，并證實了CR-NOMA 網(wǎng)絡的有效性。文獻（Zhang et al.，2020）構(gòu)建了具有協(xié)同傳輸和波束成形技術(shù)的CR-NOMA 網(wǎng)絡，從理論上推導了次用戶的中斷概率閉合表達式。文獻（Babu et al.，2020）研究了全雙工中繼輔助CR-NOMA系統(tǒng)的中斷性能，推導出用戶中斷概率的閉合表達式。

協(xié)作通信與CR-NOMA 技術(shù)的結(jié)合，可提升通信網(wǎng)絡安全性能，提高能量效率，但網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點需要消耗額外的能量來輔助信號傳輸。而無線攜能通信（SWIPT，simultaneous wireless information and power transfer）技術(shù)（Arzykulov et al.，2019）能夠為無線通信提供穩(wěn)定且可控的能量，同時傳輸射頻（RF，radio frequency）信號中包含的必要信息，改善了協(xié)作中繼節(jié)點能量受限問題，能有效延長能量受限設備的使用壽命。文獻（Yu et al.，2019）針對采用SWIPT 的協(xié)作CR-NOMA 網(wǎng)絡，推導出系統(tǒng)中斷概率閉合表達式以及在高信噪比區(qū)域下的安全分集階數(shù)。文獻（李陶深等，2020）提出一種聯(lián)合信號功率和時間分配方案來提高系統(tǒng)中斷性能。文獻（Le et al.，2019）提出了基于SWIPT 的CR-NOMA 系統(tǒng)，中繼節(jié)點利用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)信號協(xié)助傳輸，并推導出中斷概率的近似表達式。文獻（王玉俊等，2023）研究了基于SWIPT的認知NOMA網(wǎng)絡的中斷性能。

由于NOMA 信道的廣播性和認知無線電中RF信號的雙重特性，CR-NOMA系統(tǒng)很容易被非法用戶竊聽（Bisen et al.，2021）。因此，CR-NOMA 系統(tǒng)的物理層安全問題受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。文獻（于寶泉等，2020）在干擾源以及竊聽節(jié)點均隨機分布的通信場景下，研究了CR-NOMA 網(wǎng)絡中次用戶的安全通信性能。文獻（Chen et al.，2020）研究了多天線半雙工中繼協(xié)作NOMA 網(wǎng)絡的物理層安全問題，對竊聽用戶引入干擾來保證信息傳輸安全。文獻（Zhu et al.，2020）研究底層CR-NOMA 網(wǎng)絡的物理層安全性能，推導出安全中斷概率的確切表達式。

現(xiàn)有研究大多對CR-NOMA 系統(tǒng)與基于SWIPT 的協(xié)作CR-NOMA 系統(tǒng)進行具體的中斷性能分析，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了系統(tǒng)增益?？紤]實際無線環(huán)境中的非法竊聽用戶對物理層安全性能的影響，以及能量采集模式下CR-NOMA 系統(tǒng)物理層安全問題研究相對較少，本文基于功率分割（PS，power splitting）架構(gòu)的SWIPT 技術(shù)研究了全雙工多中繼協(xié)作CR-NOMA 系統(tǒng)物理層安全問題，旨在提高系統(tǒng)能量效率的同時提升系統(tǒng)安全性能；推導出安全中斷概率和安全吞吐量的近似表達式，并利用仿真實驗驗證了所提傳輸方案的有效性。

1 系統(tǒng)模型

1.1 信號模型

在非法竊聽用戶存在的情況下，本文構(gòu)建了一個基于無線攜能的全雙工多中繼協(xié)作CR-NOMA 系統(tǒng)模型，如圖1 所示。該模型由主網(wǎng)絡（PN）和次網(wǎng)絡（SN）組成。主網(wǎng)絡由一個主發(fā)射機PT和一個主用戶PU組成，次網(wǎng)絡由一個認知基站SBS、N個能量受限的中繼節(jié)點Rn(n= 1，2，…，N)、次用戶SUi(i=1，2)以及一個非法竊聽用戶E組成。假設所有中繼節(jié)點均工作于全雙工模式且配備雙天線，其他節(jié)點工作于半雙工模式且配備單天線。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

模型假設：（1）因為存在深度衰落和建筑物遮擋，所以SBS與SUi和E無直接鏈路，只能通過中繼節(jié)點完成信息交互；（2）所有鏈路都服從準靜態(tài)獨立的瑞利分布， 則hi～C N(0，)，i∈{ }PU，SP，RnP，SRn，RnU1，RnU2，RnE；（3）系統(tǒng)完全掌握各個鏈路的信道狀態(tài)信息（CSI， channel state information）；（4）中繼節(jié)點Rn在接收信號過程中，由于工作于全雙工模式會出現(xiàn)自干擾現(xiàn)象，因此采用主動自干擾消除技術(shù)（Karthika et al.，2020），在通信鏈路中主動引入有源信號，減小殘余自干擾信號強度；（5）為有效避免中繼節(jié)點間相互干擾，采用頻分多址的方法，即等頻段劃分系統(tǒng)總帶寬的方式進行合理頻譜分配，確保每個中繼節(jié)點使用不同的頻段。

圖2 中hRn為殘留自干擾信道系數(shù)，hSRn、hRnU1、hRnU2表示鏈路SBS→Rn、Rn→SU1、Rn→SU2的信道系數(shù)。如圖2 所示，考慮中繼點Rn處的殘留自干擾，認知基站發(fā)送RF 信號到中繼節(jié)點處，中繼節(jié)點采用PS-SWIPT技術(shù)對源信號與噪聲nRn、PIRn進行能量采集。在Rn接收天線處配置PS接收機，則接收到的信號被分成兩個獨立的分流：一個分流1 -β用于信號接收，另一個分流β用于能量采集。0 ≤β≤1表示功率分割系數(shù)，采集的能量轉(zhuǎn)移到電池進行臨時存儲用于轉(zhuǎn)發(fā)信息，節(jié)省能量消耗，改善協(xié)作中繼節(jié)點能量受限問題。最后，采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議將源信號轉(zhuǎn)發(fā)到合法用戶SU1和SU2.

圖2 中繼節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.2 Relay node structure

圖3 表示傳輸時隙示意圖。圖中能量采集、信號接收與信號轉(zhuǎn)發(fā)均在同一時隙T內(nèi)進行，每個時隙T包含兩個并發(fā)的通信過程：（1）認知基站SBS在當前時隙向最優(yōu)中繼節(jié)點Rn發(fā)送源信號，中繼節(jié)點采用PS-SWIPT 技術(shù)采集能量；（2）中繼節(jié)點將采集的能量用于解碼轉(zhuǎn)發(fā)上一時隙的源信號給次用戶SUi，同時向非法竊聽用戶E發(fā)送人工噪聲，以抵御竊聽攻擊。

圖3 傳輸時隙示意圖Fig.3 Transmission time slot diagram

1.2 系統(tǒng)分析

在underlay 模式下，允許次用戶與主用戶共享頻譜資源?？紤]主用戶的服務質(zhì)量（QoS），則瞬時發(fā)射功率Ps必須滿足

式（3）-（4）中ρs=Psσ2，ρRn=PRnσ2.中繼節(jié)點Rn對源信號進行能量采集得到的能量為

式（5）中0 <η< 1表示能量轉(zhuǎn)換效率。假設中繼節(jié)點Rn采集的所有能量全部用于發(fā)射，同時考慮Rn對PU的干擾，為保證主用戶的QoS，PRn必須滿足

其中PmaxRn=Eh/T.

在第2跳鏈路通信過程中，中繼節(jié)點Rn在從SBS接收源信號的同時，向SU1、SU2轉(zhuǎn)發(fā)疊加信號x'1、x'2.考慮存在非法竊聽用戶E，在中繼端進行信息轉(zhuǎn)發(fā)時采用人工噪聲輔助技術(shù)（Huang et al.，2021），引入次用戶已知的偽隨機信號xa.因此，疊加信號xRn=α1'PRn x1'+α2'PRn x2'+α3'PRn xa，SU1、SU2的接收信號為

式（12）-（13）中γSU1、γSU2表示經(jīng)中繼節(jié)點Rn傳輸信號x1、x2的最小等效SINR。且γSU1=min{γRn→x1，γU1→x'1}，γSU2= min{γRn→x2，γU2→x'}.

非法竊聽用戶E接收到的信號為

可達安全速率定義為次用戶可達速率與竊聽速率之差，因此兩個次用戶的可達安全速率為

其中[x]+= max(x，0).

2 安全性能分析

2.1 基于可達安全速率最大化的中繼選擇策略

最優(yōu)中繼選擇策略考慮次用戶信道狀態(tài)信息和非法竊聽用戶信道狀態(tài)信息，選擇使得次用戶可達安全速率最大的中繼節(jié)點。因此，該策略能使兩個用戶都具有較大的可達安全速率，并提高系統(tǒng)的安全性能。系統(tǒng)次用戶的可達安全速率為

2.2 安全中斷概率分析

通過安全中斷概率，從物理層安全角度定性分析系統(tǒng)的安全可靠性。將安全中斷事件定義為當用戶可達安全速率小于目標安全速率時，用戶發(fā)生安全中斷。根據(jù)式（19），安全中斷概率為

證明

定理2的證明過程參見附錄。

2.3 安全吞吐量分析

安全吞吐量是衡量通信系統(tǒng)可靠性的另一個重要指標。安全吞吐量定義為系統(tǒng)目標安全速率與成功解碼合法用戶信號的概率的乘積，即

3 仿真結(jié)果與分析

利用MATLAB對underlay模式的下行鏈路SWIPT-CR-NOMA系統(tǒng)模型的通信性能進行仿真。采用106次蒙特卡洛仿真對所推導的安全中斷概率與安全吞吐量的表達式進行驗證，同時分析關鍵因素對系統(tǒng)安全性能的影響。仿真參數(shù)α1=α1' = 0.6，α2' = 0.3，α3' = 0.1，η= 0.7，ζ= 0.5，= 0.1，Ith= 40 dB，噪聲方差均為1。

設R1= 0.5 bps/Hz，R2= 0.5 bps/Hz，選取N= 3，4，5 來驗證公式推導的準確性。圖4 為系統(tǒng)安全中斷概率隨中繼節(jié)點數(shù)的變化。隨著中繼節(jié)點的增多，系統(tǒng)的安全中斷概率減小，安全性能得到有效提升。這是因為基于式（21）的中繼選擇技術(shù)，使得成功解碼兩個次用戶信號的中繼數(shù)量增大，從而使得可供選擇的中繼節(jié)點增多，信號進行可靠傳輸?shù)目赡苄栽龃螅軌蚋邫C會性地差異化合法鏈路與竊聽鏈路之間的信道容量，故系統(tǒng)安全中斷概率降低。

圖4 安全中斷概率隨中繼節(jié)點數(shù)的變化Fig.4 The security outage probability varies with the number of relay nodes

當N= 5，R1、R2取不同值時，系統(tǒng)安全中斷概率隨傳輸信噪比的變化如圖5 所示。結(jié)果表明，安全中斷概率隨目標安全速率減小而減小，系統(tǒng)安全性能和通信的可靠性提高。但隨著目標速率減小，通信傳輸速率會降低。當SNR<10 dB 時，系統(tǒng)仍然可以滿足目標安全速率要求，能夠提供足夠的安全傳輸性能，因此安全中斷概率相對較低。隨著傳輸信噪比的增加，安全中斷概率可能會略微下降，但趨勢較為平緩。為表征該指標的可行性，采用均方差（MSE，mean-square error）來分析仿真值與解析值之間的差異（Fitzgerald et al.，2021）。由計算可得R1= 0.1 bps/Hz，R2= 0.5 bps/Hz 時，MSE值為1.52×10-4最小，因此要掌握好通信速率與安全性能之間的平衡點。

圖5 安全中斷概率隨目標安全速率的變化Fig.5 The change of security outage probability with target security rate

圖6 給出了安全中斷概率隨不同干擾功率閾值Ith的變化。從圖中可以看出，Ith越大安全中斷概率越小，始終趨于一個穩(wěn)定下界值。由式（1）和式（6）可知，認知基站與中繼節(jié)點的實際發(fā)射功率與Ith有關。隨著Ith增大，認知基站與中繼節(jié)點的實際發(fā)射功率就越大，增大發(fā)射功率可以提高信號強度，從而降低信號與干擾之間的信噪比，使得接收端更容易正確解碼和接收信號，減少傳輸中發(fā)生錯誤的可能性，降低了安全中斷概率。此外，當Ith= 20 dB時，系統(tǒng)安全中斷概率會隨著信噪比的增大而降低，但在信噪比到達一定水平后，安全中斷概率不會持續(xù)下降。因此，優(yōu)化認知無線電系統(tǒng)性能需要考慮信噪比和干擾功率閾值約束之間的平衡。

圖6 安全中斷概率隨干擾功率閾值的變化Fig.6 The change of security outage probability with Ith

R1= 0.5 bps/Hz，R2= 0.5 bps/Hz，N= 5 時，μ和β對系統(tǒng)安全性能的影響如圖7 所示。圖中，當μ一定時系統(tǒng)安全中斷概率隨β增大而增大，β增大意味著中繼節(jié)點采集的能量比例增加，用于信息解碼的比例減小，這導致中繼節(jié)點在信息解碼過程中出現(xiàn)能量不足的情況，影響解碼的可靠性，增加安全中斷概率。當β一定時，系統(tǒng)安全中斷概率也隨μ增大而增大。這是由于中繼節(jié)點工作在全雙工模式，存在自干擾影響，系統(tǒng)處于干擾受限的環(huán)境，自干擾信號的強度相對較高，這會導致接收信號的質(zhì)量下降，增加了系統(tǒng)中出現(xiàn)安全中斷的概率，同時中繼節(jié)點解碼時誤碼率增大，從而系統(tǒng)安全性能下降。因此，可以通過合理優(yōu)化μ和β來提高系統(tǒng)安全性能。

圖7 安全中斷概率隨μ 和β 的變化Fig.7 The change of secrecy outage probability with μ and β

圖8為安全吞吐量隨傳輸信噪比SNR的變化。結(jié)果表明，6種網(wǎng)絡模型的安全吞吐量都隨SNR增大而增大，但本文網(wǎng)絡模型性能明顯優(yōu)于其他模型。對于能量受限的中繼節(jié)點，采用PS-SWIPT技術(shù)可以在接收信號的同時收集能量信號，用于自身的能量供應以進一步轉(zhuǎn)發(fā)信號給合法用戶，降低能量消耗需求，增強系統(tǒng)的可持續(xù)性和節(jié)能性。所以，SWIPT-CR-NOMA 網(wǎng)絡比傳統(tǒng)CR-NOMA 網(wǎng)絡的安全吞吐量提升了近1 倍。相比于半雙工通信，在全雙工模式下中繼節(jié)點可以同時進行發(fā)送和接收工作，減少了通信時間延遲，能夠更好地利用時隙和頻譜資源。且因可供選擇的中繼個數(shù)增大，安全中斷概率減小，安全吞吐量增大。因此，全雙工單中繼SWIPT-CR-NOMA 系統(tǒng)安全吞吐量提高了1.7 倍左右，驗證了本文傳輸方案的可行性。

圖8 安全吞吐量隨傳輸信噪比的變化Fig.8 The change of security throughput with SNR

4 結(jié) 論

本文研究了underlay 模式下CR-NOMA 系統(tǒng)的物理層安全問題。在竊聽用戶存在的情況下，提出了一種基于無線攜能的全雙工多中繼協(xié)作CR-NOMA網(wǎng)絡模型。全雙工中繼節(jié)點輔助認知基站傳輸信號，從源信號捕獲能量用于下一跳鏈路信號轉(zhuǎn)發(fā)，提高頻譜利用效率，解決中繼節(jié)點能量不足的問題。同時向非法竊聽用戶發(fā)送人工噪聲抵御竊聽攻擊，推導出系統(tǒng)安全中斷概率與安全吞吐量的近似表達式。仿真結(jié)果表明，本文所提方案能夠有效提升系統(tǒng)安全性能，保證通信傳輸安全。

附 錄

根據(jù)式（3）、（9）、（15）、（19）和（22），化簡式（26）中的Pout，SU1為

同理可得Λ2、Λ3、Λ4的近似表達式，代入式（38）可得式（24）。類似地可得到式（25），將式（24）-（25）代入式（23），即可得到系統(tǒng)安全中斷概率SOPORS的表達式。

表1 SOPORS的變量Table 1 Variables of SOPORS