陳亞軍，季新生,2,3，黃開枝，楊靜，易鳴

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蜂窩系統(tǒng)中機(jī)會(huì)D2D接入的安全傳輸方案

陳亞軍1，季新生1,2,3，黃開枝1，楊靜1，易鳴1

（1. 國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002；2. 東南大學(xué)移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189；3. 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

由于終端資源受限，蜂窩上行鏈路傳輸?shù)陌踩噪y以保證?？紤]到D2D（device-to-device）蜂窩系統(tǒng)中同頻干擾能夠帶來安全增益，提出一種機(jī)會(huì)D2D接入的安全傳輸方案。該方案分別利用無線信道的方向性和增益刻畫復(fù)用資源的D2D用戶對(duì)蜂窩用戶和其他D2D用戶的干擾大小，為保證兩者通信的可靠性，首先，選擇滿足干擾受限條件的D2D用戶接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，而接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶可看作蜂窩用戶的友好干擾者為其帶來安全增益。其次，采用泊松點(diǎn)過程（PPP, Poisson point process）對(duì)系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，分別利用安全中斷概率（SOP, secrecy outage probability）和連通中斷概率（COP, connection outage probability）表征蜂窩用戶通信的安全性和D2D用戶通信的可靠性，并分析了干擾門限對(duì)兩者通信性能的影響。然后，在保證蜂窩用戶SOP性能需求的前提下，提出一種在滿足蜂窩用戶安全性的條件下，最小化D2D用戶COP的優(yōu)化模型，并利用聯(lián)合搜索方法得到最佳干擾門限值。最后，仿真證明了所提方案的有效性。

D2D通信；泊松點(diǎn)過程；安全中斷概率；連通中斷概率；聯(lián)合搜索方法

1 引言

D2D通信不經(jīng)過基站中轉(zhuǎn)而直接在距離較近的用戶間建立鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較高的小區(qū)容量、頻譜效率等特點(diǎn)，是未來蜂窩系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1,2]。與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)一樣，該系統(tǒng)由于無線傳播的開放性面臨著被竊聽、被篡改等安全威脅問題。Alam等[3]對(duì)D2D蜂窩系統(tǒng)存在的安全威脅問題進(jìn)行了全面分析和總結(jié)。Zhu等[4]在理論上證明了直通鏈路的D2D通信模式的安全性能優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)基站中繼的蜂窩通信模式。Chu等[5]對(duì)D2D MISO（multiple-input-single-output）蜂窩系統(tǒng)的下行鏈路設(shè)計(jì)了2種不同的波束賦形向量以優(yōu)化蜂窩用戶安全速率。文獻(xiàn)[6,7]利用下行鏈路中基站多天線的優(yōu)勢(shì)，采用人工噪聲的方法同時(shí)保證蜂窩用戶（CU, cellular user）和D2D用戶的安全通信。Ma等[8]針對(duì)D2D蜂窩系統(tǒng)的下行鏈路，利用泊松點(diǎn)過程分別對(duì)基站、合法用戶和竊聽者（Eve, eavesdropper）的分布進(jìn)行建模，并理論分析了兩者通信的可靠性及CU的安全性。

而蜂窩上行鏈路由于終端設(shè)備天線數(shù)目、功率等資源受限，上行鏈路的安全問題一直成為無線通信的安全瓶頸。在D2D蜂窩系統(tǒng)中，若D2D用戶采用underlay模式，即和CU復(fù)用相同的無線資源，相互間存在干擾。在傳統(tǒng)通信場(chǎng)景中，此干擾被認(rèn)為是影響用戶正常通信的有害因素，但在物理層安全問題中，此干擾因素會(huì)同時(shí)增加潛在Eve獲取合法用戶信息的難度。通過合理的調(diào)度算法，此干擾因素若對(duì)Eve的影響大于對(duì)CU鏈路的影響，則會(huì)帶來一定的安全增益。對(duì)于該系統(tǒng)中的蜂窩上行鏈路，如何通過有效的方法將有“害”的干擾轉(zhuǎn)化為有“利”因素，提高安全性能是目前研究的熱點(diǎn)問題。針對(duì)此問題，文獻(xiàn)[9~15]為充分利用干擾帶來的安全增益，分別從不同角度提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。但由于Eve在實(shí)際系統(tǒng)中通常處于被動(dòng)竊聽狀態(tài)，發(fā)送端很難獲取其位置信息，因此，文獻(xiàn)[9~14]僅考慮無線信道的小尺度衰落，而忽略了大尺度衰落的影響。為提高頻譜復(fù)用效率，文獻(xiàn)[14,15]考慮了多個(gè)D2D用戶復(fù)用相同資源的情況，但此時(shí)D2D用戶會(huì)對(duì)CU和其他D2D用戶造成嚴(yán)重干擾而影響兩者通信的可靠性，為滿足兩者通信的可靠性，在接入網(wǎng)絡(luò)之前需考慮對(duì)兩者的干擾受限，而上述文獻(xiàn)考慮欠缺。另外，文獻(xiàn)[5~13]僅在降低合法用戶干擾的前提下考慮干擾帶來的安全增益，一般假設(shè)復(fù)用資源的D2D用戶與CU的距離較遠(yuǎn)，而Eve的位置隨機(jī)分布。若其在合法CU附近時(shí)，上述方案很難抵抗Eve竊聽合法CU的有用信息，因此，所帶來的安全增益性能受限。

針對(duì)上述問題，為最大化同頻干擾帶來的安全增益，本文研究了更為一般的場(chǎng)景，即多個(gè)D2D用戶同時(shí)復(fù)用一個(gè)CU資源的場(chǎng)景。考慮到多天線系統(tǒng)中，復(fù)用資源的用戶即使因距離較近而產(chǎn)生的信道大尺度衰落干擾較為嚴(yán)重，但若小尺度衰落引起的方向性（矢量性）近似正交，則實(shí)際造成的干擾卻相對(duì)較小。若CU附近的D2D用戶到基站的信道落在CU到基站的信道零空間內(nèi)，則兩者通過共享無線資源可有效增加CU附近的Eve竊聽的難度。本文從多天線系統(tǒng)的實(shí)際出發(fā)，同時(shí)考慮了信道的大尺度衰落和小尺度衰落的影響，提出一種機(jī)會(huì)D2D接入的安全傳輸方案。該方案要求復(fù)用同一無線資源的D2D用戶滿足2個(gè)條件：1) D2D用戶到基站的信道盡量在CU到基站的信道零空間內(nèi)，從而保證復(fù)用資源的D2D用戶對(duì)CU的干擾受限；2)不同D2D用戶對(duì)的發(fā)送端到其他用戶對(duì)的接收端的信道增益盡量小，從而使D2D用戶間的干擾受限。由于上述2個(gè)條件同時(shí)考慮了CU和D2D用戶的干擾受限，從而保證了兩者通信的可靠性。另外，該方案中在復(fù)用相同資源的D2D用戶帶來干擾的同時(shí)增加了Eve竊聽蜂窩鏈路信號(hào)的難度，而根據(jù)上述2個(gè)條件的接入選擇機(jī)制使干擾對(duì)CU的影響較小，因此，接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶作為CU的友好干擾者可為CU帶來一定的安全增益。其次，利用隨機(jī)幾何中PPP模型對(duì)蜂窩系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，分別給出了CU的安全中斷概率（SOP）和D2D用戶的連通中斷概率（COP），并分析了干擾門限值對(duì)兩者通信性能的影響。然后，在滿足干擾受限的條件下，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，提出一種在保證CU安全通信的前提下，最小化D2D用戶COP的優(yōu)化模型，并利用聯(lián)合搜索方法得到最佳干擾門限值。最后，仿真驗(yàn)證了本文所提方案的有效性。

2 系統(tǒng)模型與問題描述

2.1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型

2.2 問題描述

在上述介紹的系統(tǒng)模型中，允許多個(gè)D2D用戶同時(shí)共享一個(gè)CU的無線資源，因此D2D用戶與CU、D2D用戶間都存在同頻干擾，從而對(duì)兩者通信的可靠性或安全性都會(huì)帶來影響。而通信的可靠性和安全性可利用連通中斷概率（COP, connection outage probability）和安全中斷概率（SOP, secrecy outage probability）表示[16,17]。其中，COP表示合法信道的容量小于預(yù)設(shè)門限值的概率，而SOP是指竊聽信道的容量大于預(yù)設(shè)門限值的概率。而在實(shí)際通信系統(tǒng)中，合法通信鏈路和竊聽鏈路的接收決定其信道容量，同文獻(xiàn)[8,16,17]，COP和SOP可利用表示為

復(fù)用資源而產(chǎn)生的干擾將降低用戶通信的可靠性，但從物理層安全的角度出發(fā)，此干擾同時(shí)會(huì)對(duì)Eve帶來一定的影響，若通過有效的資源復(fù)用方案使其對(duì)Eve的影響大于對(duì)CU的影響，則會(huì)為CU帶來安全增益?；谏鲜龇治觯紫?，本文在保證兩者通信可靠性的基礎(chǔ)上，為最大化干擾因素帶來的安全增益，提出一種機(jī)會(huì)D2D接入的安全傳輸方案。該方案不僅保證了同時(shí)復(fù)用資源的CU用戶和D2D用戶的通信可靠性，而且復(fù)用資源的D2D用戶作為CU的友好干擾者同時(shí)降低了Eve竊聽蜂窩鏈路的信號(hào)質(zhì)量，但所提的安全傳輸方案保證了干擾對(duì)CU造成的影響相對(duì)較小，從而為CU帶來了安全增益。其次，推導(dǎo)了典型蜂窩鏈路的SOP和典型D2D鏈路的COP；然后，在保證CU安全通信的前提下，建立一種最小化D2D用戶COP的優(yōu)化模型。最后，根據(jù)此優(yōu)化模型利用聯(lián)合搜索方法得到最優(yōu)門限值，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。

3 蜂窩系統(tǒng)中機(jī)會(huì)D2D接入的安全傳輸方案

由于D2D用戶與CU復(fù)用資源帶來的干擾會(huì)降低兩者通信的可靠性，因此，在D2D用戶接入網(wǎng)絡(luò)之前需首先保證兩者通信的可靠性。在實(shí)際系統(tǒng)中，兩者通信性能主要由同頻干擾決定，而無線信道是決定影響干擾強(qiáng)度的主要因素。因此，本節(jié)基于無線信道的特征提出一種用戶協(xié)作的安全傳輸方案，其通信流程主要包括3個(gè)步驟，如圖2所示。本文與文獻(xiàn)[16]的區(qū)別在于必須考慮D2D用戶的通信需求且假設(shè)CU也服從PPP分布，此假設(shè)更符合實(shí)際場(chǎng)景的部署。

圖2 蜂窩系統(tǒng)中機(jī)會(huì)D2D接入的安全傳輸方案

本文所提方案與傳統(tǒng)的通信流程相比，主要的不同點(diǎn)在于上述流程的第1)步。因?yàn)榧词乖趥鹘y(tǒng)干擾最小化的資源共享機(jī)制中，仍需利用所提方案的第2)步考慮D2D用戶對(duì)蜂窩用戶的干擾，然后基站進(jìn)行決策，即第3)步。因此，與傳統(tǒng)的資源共享機(jī)制相比，所提方案主要額外考慮了第1)步D2D用戶間干擾受限的條件。因此，在實(shí)際系統(tǒng)中所提方案帶來的通信負(fù)荷在承受范圍之內(nèi)。另外，本文不再贅述與傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)相同的通信流程。

根據(jù)PPP分布的性質(zhì)[19]，滿足式(5)和式(6)所確定的與CU復(fù)用資源的D2D集合仍為PPP分布，其分布密度為

4 性能分析及復(fù)雜度分析

4.1 CU的SOP

在固定的條件下，隨著的變化，CU用戶的SOP在不同下的理論結(jié)果和蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，其他仿真參數(shù)具體見第5節(jié)，其中，。由圖3可以看出：蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論分析結(jié)果完全吻合，說明理論分析和所提方案的有效性。

4.2 D2D的COP

根據(jù)式(3)中COP的定義，D2D用戶的COP可表示為

(15)

圖4 在不同干擾門限的條件下，蜂窩用戶SOP與的關(guān)系

4.3 性能優(yōu)化

圖5 CU的SOP和D2D用戶的COP與、的關(guān)系

end if

end for

end for

end if

end for

4.4 復(fù)雜度分析

5 仿真分析

本節(jié)利用蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)證明本文所提算法的有效性。假設(shè)CU、D2D用戶和Eve服從PPP分布，其中，主要仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果均通過表1的聯(lián)合搜索方法得到最優(yōu)門限值的條件。

表1 主要仿真參數(shù)

圖6 D2D用戶的COP與CU的SOP門限值的關(guān)系

圖7 D2D用戶的COP與D2D分布密度關(guān)系（）

圖8 CU安全性能不同時(shí)，D2D用戶的COP與的關(guān)系

表2 當(dāng)CU安全性能不同時(shí)，最優(yōu)門限值、與的關(guān)系

圖9 CU安全性能不同時(shí)，D2D用戶的COP與的關(guān)系

圖10 聯(lián)合搜索方法的搜索時(shí)間與CU SOP門限值的關(guān)系

6 結(jié)束語

由于蜂窩上行鏈路資源受限，為充分利用D2D蜂窩系統(tǒng)中同頻干擾帶來的安全增益，首先，提出一種機(jī)會(huì)D2D接入的安全傳輸方案。該方案不僅保證兩者通信的可靠性，而且復(fù)用相同資源的D2D用戶作為CU的友好干擾者同時(shí)增加Eve竊聽蜂窩鏈路信號(hào)的難度，從而提高CU的安全性。然后，分別推導(dǎo)了CU的SOP和D2D用戶的COP，并分析了干擾門限對(duì)系統(tǒng)性能的影響。基于此，為使系統(tǒng)性能最佳，提出一種優(yōu)化干擾門限的優(yōu)化模型，該模型在保證CU安全通信的前提下，以最小化D2D用戶COP。最后，仿真證明了所提方案的有效性。

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Secure opportunistic access control in D2D-enabled cellular network

CHEN Yajun1, JI Xinsheng1,2,3, HUANG Kaizhi1, YANG Jing1, YI Ming1

1. National Digital Switching System Engineering and Technological Research Center, Zhengzhou 450002, China2. National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University, Nanjing 211189, China 3. National Engineering Lab for Mobile Networking Security, Beijing 100876, China

The mutual interference between cellular links and D2D links can bring the secrecy gain to cellular users in D2D-enable cellular networks. To make full use of them, a cooperative secrecy transmission scheme was proposed based on wireless channels. The channel direction information and gains depict the interference from D2D links to cellular links and other D2D links in the proposed scheme. Firstly, only the D2D users which meet the limited interference conditions were accessed to cellular networks to ensure their reliable communications. It was assumed that legitimate users and eavesdroppers were independent two-dimensional homogeneous Poisson point processes (PPP)distribution. Then the security outage probability (SOP) was derived for cellular users and the connection outage probability (COP) for D2D users, and the impacts of interference thresholds were discussed on their performances. Next, an optimization model was given to minimize D2D users’ COP while ensuring the secrecy performance requirements of cellular users, thus achieving the optimal performance. Finally, simulation results verify the validity of the proposed scheme.

D2D communication, Poisson point process, secrecy outage probability, connection outage probability, joint search method

TN92

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2018016

陳亞軍（1988-），男，河南商丘人，國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心博士生，主要研究方向?yàn)闊o線物理層安全、D2D通信技術(shù)、無線定位技術(shù)等。

季新生（1968-），男，江蘇南通人，國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)中心教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、擬態(tài)安全等。

黃開枝（1973-），女，安徽滁州人，國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)中心教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物理層安全等。

楊靜（1991-），女，重慶人，國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)中心博士生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物理層認(rèn)證等。

易鳴（1986-），男，湖北孝感人，國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)中心講師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物理層安全編碼等。

2017-04-27；

2017-11-19

陳亞軍，chenyajun_cool@126.com

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.SS2015AA011306）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61379006, No.61521003, No.61501516）；東南大學(xué)移動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目（No.2013D09）

: The National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No.SS2015AA011306), The National Natural Science Foundation of China (No.61379006, No.61521003, No.61501516), The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (No.2013D09)