存在窃听者的协作中继NOMA系统安全性能分析.pdf

在不完全信道状态信息和非理想连续干扰消除条件下对存在窃听者的非正交多址系统安全性能问题进行研究,提出一个存在窃听者的解码转发中继辅助非正交多址接入系统(D e c o d ea n dF o r w a r dC o o p e r a t i v eR e l a yi nN o n O r t h o g o n a lM u l t i p l eA c c e s sS y s t e mw i t hE a v e s d r o p p e r,D F C R E N OMA).在该系统中,分析了在不完全的信道状态信息和非理想连续干扰消除同时存在的条件下系统的安全性能,利用中断概率和截获概率表征系统的安全性能,通过蒙特卡罗模拟仿真分析了功率分配系数、信道估计误差对所提系统性能的影响.验证结果表明,在信道条件一定的情况下,可通过设置较高的数据传输速率,在基站或中继处选择合适的功率分配系数能够有效降低窃听者的截获概率.关键词:非正交多址接入;信道状态信息;连续干扰消除;协作中继;中断概率;截获概率中图分类号:TN 文献标识码:A文章编号:()S e c u r i t yp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fN OMAc o o p e r a t i v e r e l a ys y s t e mw i t ht h ep r e s e n c eo f e a v e s d r o p p e rZ HAN GJ i r o n g,L I UY u(S c h o o l o fC o n t i n u o u sE d u c a t i o n,X ia nU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s,X ia n ,C h i n a;S c h o o l o fC o m m u n i c a t i o n s a n d I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,X ia nU n i v e r s i t yo fP o s t s a n dT e l e c o m m u n i c a t i o n s,X ia n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s e c u r i t yp e r f o r m a n c eo f n o n o r t h o g o n a lm u l t i p l e a c c e s s s y s t e m sw i t he a v e s d r o p p e r si ss t u d i e du n d e rt h ec o n d i t i o n so f i n c o m p l e t ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na n dn o n i d e a lc o n t i n u o u si n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n An e wd e c o d i n ga n df o r w a r d i n gr e l a ya s s i s t e dn o n o r t h o g o n a lm u l t i p l ea c c e s s s y s t e mw i t he a v e s d r o p p e r s(D F C R E NOMA)i sp r o p o s e d I n t h e s y s t e m,t h e s e c u r i t yp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mu n d e rs i m u l t a n e o u sp r e s e n c eo f i n c o m p l e t ec h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o na n dn o n i d e a l s u c c e s s i v e i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni sa n a l y z e d,a n dt h es e c u r i t yp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db yt h e i n t e r r u p t i o np r o b a b i l i t ya n d i n t e r c e p t i o np r o b a b i l i t y,a n dt h ee f f e c t so fp o w e ra l l o c a t i o nc o e f f i c i e n t a n dc h a n n e l e s t i m a t i o ne r r o ro nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e ds y s t e ma r ea n a l y z e db yt h eMo n t eC a r l os i m u l a t i o n T h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rf i x e dc h a n n e l c o n d i t i o n s,t h e i n t e r c e p t i o np r o b a b i l i t yo f e a v e s d r o p p e r sc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db ys e t t i n gah i g h e rd a t a t r a n s m i s s i o nr a t ea n dc h o o s i n gas u i t a b l ep o w e r a l l o c a t i o nc o e f f i c i e n t a t t h eb a s es t a t i o no r r e l a y K e y w o r d s:n o n o r t h o g o n a lm u l t i p l e a c c e s s;c h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o n;s u c c e s s i v e i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n;c o o p e r a t i v er e l a y;o u t a g ep r o b a b i l i t y;i n t e r c e p tp r o b a b i l i t y未来移动通信网络需要频谱高效的多址技术,非正 交 多 址(N o n O r t h o g o n a l M u l t i p l e A c c e s s,西安邮电大学学报 年月NOMA)被认为是高效频谱利用和大规模连接的关键性技术.NOMA允许在同一时间或频率时隙内对来自多个用户的信号进行功率域复用.在接收端,采用多用户检测将其他用户的信号视为干扰,对 具 有 最 高 信 噪 比(S i g n a lt o N o i s e R a t i o,S N R)的信号进行解码.执行连续干扰消除(S u c c e s s i v e I n t e r f e r e n c eC a n c e l l a t i o n,S I C)检测其余信号,缓解了非正交多址引入的干扰.因此,将NO MA应用于协作通信系统可以有效提升系统容量、提供更高的传输速率和更广泛的网络覆盖.在协作通信中,可以利用协作中继(C o o p e r a t i v eR e l a y,C R)节点将信息转发到期望的目的节点.文献 研究了C R和NOMA的结合,称为协作中继非正交多址(C o o p e r a t i v eR e l a y N o n O r t h o g o n a lM u l t i p l eA c c e s s,C R NOMA),使用NO MA原理叠加独立的信号,仅使用协作中继处理较差的信道状态,没有考虑自干扰的影响.文献研究了采用全双工解码转发中继的下行C R NO MA系统的性能,分析了在全双工模式下由于不完全自 干 扰 消 除 导 致 的 残 余 自 干 扰(S e l f I n t e r f e r e n c e,S I)对系统性能的影响,但没有考虑到系统的安全性能.考虑无线通信的广播性质,信息安全仍然是一个主要问题.窃听者可能会窃听到用户个人敏感信息,并对NOMA系统构成安全威胁.针对NO MA安全性能研究,W y n e r在文献 中首次引入了物理层安全的概念,表明如果窃听者信道是目的信道的降级版本,那么很有可能存在秘密通信.在协作中继系统中,中继可能是不可信的节点,同时起到辅助和被窃听的作用.在这种情况下,若使用中继进行传输,传输的信息也必须保密.文献在比较合作干扰、解码转发和放大转发等种中继方案的同时,研究了在具有外部窃听器的两个用户下行链路中协作半双工中继的安全,在中继处设计安全的波束成形信号,从而最大化可实现的保密率区域,但没有考虑信道中存在的干扰条件的影响.文献 分析了协作NOMA系统中继采用放大转发和解码转发两种方式,导出了保密中断概率和严格正保密容量的封闭式表达式,并进行了数值验证.但是,该方案没有考虑在全双工中继下信道状态条件的影响.物联网实现万物互联时,小区中可能同时存在具有不同服务质量(Q u a l i t yo f S e r v i c e,Q o S)要求的用户,例如银行、医院及公安部门等保密性要求较高区域的用户或者进行普通数据传输的保密性要求较低区域的 用户,若存 在窃听,用 户信息将面临较大的泄 露风险.虽然 关于窃 听 用 户 下 协作NOMA系统相关研究很多,但在NOMA系统的安全性能研究中,尚没有考虑同时存在不完全的信道状态信息和非理想连续干扰消除条件的影响.针对用户信息被窃取的问题,拟提出一种存在窃听者的解码转发中继辅助非正交多址接入系统(D e c o d ea n dF o r w a r dC o o p e r a t i v eR e l a yi n N o n O r t h o g o n a lM u l t i p l e A c c e s sS y s t e m w i t h E a v e s d r o p p e r,D F C R E NOMA).该系统通过基站和中继借助信道估计误差(C h a n n e lE s t i m a t i o nE r r o r s,C E E)和非理想的S I C(I m p e r f e c tS u c c e s s i v eI n t e r f e r e n c eC a n c e l l a t i o n,I S I C)条件下的下行链路NO MA转发信号,在I S I C和存在C E E的条件下,通过用户的中断概率、截获概率以及系统吞吐量评估该系统的性能.最后,通过蒙特卡罗模拟仿真验证所提系统的有效性.系统模型 网络拓扑与信道模型通过研 究 存 在 窃 听 者 的 解 码 转 发 协 作 中 继NOMA系统的安全性能,并考虑存在的C E E和I S I C因素,从而提出D F C R E NOMA系统模型,具体如图所示,其中用户(U)为近用户,用户(U)为边缘用户.图D F C R E NOMA的系统模型由图可以看出,基站S具有到U的直接通信链路,假设由于严重的阴影衰落,基站S和U之间的直接通信链路不存在.那么,基站采用专用的第 卷第期张继荣,等:存在窃听者的协作中继NOMA系统安全性能分析全双工中继R通过解码转发将信号传送给U,窃听端E会截获基站和中继的信息从而达到窃听用户信息目的.因此,该模型为一个窃听模型.在图中:hS,R、hS,E、hS,、hR,E、hR,、hR,分别表示基站和中继之间、基站和窃听端之间、基站和U之间、中继和窃听端之间、中继和U之间、中继和U之间的信道系数;hr r表示自干扰信道系数.假设hi j表示节点i和j之间的独立的瑞利衰落信道系数,节点i可以是基站S或中继R,节点j可以是中继R、U或U.hi jgi jdv/i j,其中:gi j是均值为、方差为的复高斯分布,即gi j(,);di j是节点i和j之间的欧几里得距离;v表示路径损耗指数.考虑到节点j处的最小均方误差(M i n i m u m M e a nS q u a r e dE r r o r,MM S E)估计和不完全的信道状态信息(I m p e r f e c tC h a n n e lS t a t eI n f o r m a t i o n,I C S I),hi j的 建模 可以表示为hi jhi ji j()式中:hi j表示实际信道hi j估计值;i j表示节点i和j之间的信道估计误差,通常建模为均值是且方差为i j的复高斯分布,即i j(,i j).假设hi j是hi j的MM S E估计,根据MM S E的正交性原理可得hi j和i j是独立的,因此信道估计系数hi j在节点处遵循具有零均值和方差为i jdvi ji j的复高斯分布即hi j(,i j).此外,i j表示信道估计质量,|hi j|是瑞利分布的随机变量,|hi j|呈指数分布,则|hi j|的累积分布函数(C u m u l a t i v eD i s t r i b u t i o nF u n c t i o n,C D F)和 概 率 密 度 函 数(P r o b a b i l i t yD e n s i t yF u n c t i o n,P D F)的表达 式 分别为F|hi j|(x)e x p xi j()f|hi j|(y)i je x p yi j()式中,i jE|hi j|,E 表示均值.由于基站S和U之间的距离小于基站S和中继R之间的距离以及R和U之间的距离,因此假设S,US,R,S,UR,U.其中,S,U,S,R以 及R,U分别为基站S和U,基站S和中继R,中继R和U之间的信道估计值的方差.性能指标分析在所考虑的D F C R E NOMA系统中,基站S应用叠加编码生成的功率域NOMA信号,其表达式为x(t)PSax(t)PSax(t)()式中:PS是基站S的总发射功率;x(t)和x(t)分别是U和U的 信 号,E|x(t)|,E|x(t)|;a和a分别表示功率分配系数,aa,aa.在基站S中,与U相比,U被分配了更高的功率.当基站S发送信号x(t)时,中继R和U都将在同一个时隙中接收到信号.考虑中继R在全双工模式下工作,可以实现同时接收和发送,即从接收到的信号中将信号x解码,并重新编码后在同一时隙将其转发给U.U从接收到的信号中解码x.同时,U将在同一时隙执行S I C对x进行解码.假设中继R、U和U处的处理延迟忽略不计,则可以确保在所考虑的时隙持续时间内成功传输信号x和x.由于中继节点为全双工模式,因此在中继R的接收器处将存在残余自干扰(R e s i d u a lS e l f I n t e r f e r e n c e,R S I),这是从发射器到接收器的环回干扰.因此,在中继R处接收到的信号为yr(t)(hS,RS,R)(PSax(t)PSax(t)PRhr rx(t)nr(t)()式中:PRhr rx(t)表示中继节点存在的R S I;PR表示中继R的发射功率;hS,R表示实际信道hS,R的估计值;S,R表示估计误差;表示处理延迟;nr(t)表示加性高斯白噪声,nr(t)(,).中继R尝试在存在x和R S I信号的情况下对x进行解码,给出相应的S N R,表达式为Rx|hS,R|xSaaS|hS,R|S,RS|hr r|R()其中,SPSRPR式中:hr r表示自干扰信道hr r的估计值;S,R表示基站S和中继R之间链路的信道估计质量;S和R分别表示基站S和中继R处的传输信噪比.相应地,可实现数据速率的表达式为CRx l o g(Rx)()西安邮电大学学报 年月在解码x之后,中继R将重新编码的信号以功率PR转发给U,则U接收到的信号表达式为y(t)(hR,UR,U)PRx(t)n(t)()式中:hR,U表示实际信道hR,U的估计值;R,U表示估计误差;n(t)表示U处的加性高斯白噪声.U处解码x的S N R的表达式为UxR|hR,U|R,UR()式中,R,U表示R U之间链路的信道估计质量.R U链路的可实现数据速率为CUx l o g(Ux)()在U处的接收信号的表达式为y(t)(hR,UR,U)PRx(t)n(t)(hS,US,U)(aPSx(t)aPSx(t)()式中:hR,U和hS,U分别表示实际信道hR,U和hS,U的估计值;R,U和S,U分别表示中继R和基站S的估计误差;n(t)表示U处的加性高斯白噪声.由式()可以看出,y(t)包括从基站S接收到的信号以及由于从中继R到U传输信号x在U处产生的干扰.从接收信号中,U先对x解码,然后应用S I C对x解码.在U处对x进行解码的S N R表达式为Ux|hS,U|SaaS|hS,U|SS,U()|hR,U|A()其中,ARRR,U式中,S,U和R,U分别表示基站S U之间及中继R U之间的信道估计质量.相应地,可实现的数据速率为CUx l o g(Ux)()在成功解码x之后,U将通过执行S I C对x进行解码.在这种情况下,必须从y(t)中减去解码后的信号x,如果x解码成功,则可以从信号中完全减去,即S I C是完美的,否则将在由于非理想的S I C引起的残余干扰情况下解码x.因此,在存在I C S I和I S I C的情况下,在U处解码x的S N R表示为UxSa|hS,U|S,USa|hS,U|SaR|hR,U|S,U SaB()其中,BR,UR式中,表 示 由I S I C引 起 的 残 余 干 扰 的 因 子,.当时,表示理想的S I C;当时,表示I S I C.对于在U处解码x的可实现数据速率的表达式为CUx l o g(Ux)()由于窃听端E的窃听范围覆盖基站S和中继R,则窃听端E会接收到来自基站S的NOMA信号和中继R转发信号.考虑窃听端E采用最大比合并(M a x i m u m R a t i oC o m b i n e d,MR C)方式合并两路信号,则窃听端E接收的信号表达式为yE(t)(hS,ES,E)(aPSx(t)aPSx(t)(hR,ER,E)(PRx(t)nE(t)()式中:hS,E和hR,E分别表示实际信道hS,E和hR,E的估计值;S,E和R,E分别表示基站S和中继R的估计误差;nE(t)表示加性高斯白噪声.当窃听端E可获得的信息速率大于U和U的目标数据速率时,可成功截获用户信息,窃听端E采用MR C合并两路信号时,可以实现的传输速率表示为CEl o gaS|hS,E|aS|hS,E|S,ESR|hR,E|R,ER()式中,S,E和R,E分别表示基站S E之间和中继R E之间的信道估计质量.性能分析根据中断概率,通过系统吞吐量和截获概率评估在I C S I和I S I C条件下D F C R E NOMA系统的性能.系统中断概率中断概率定义为接收信噪比小于或等于某个预设阈值信噪比t h的概率,即po u tP(t h).因此,可以使用接收S N R的C D F评估中断概率.令R和R分别为成功解码信号x和x的目标速率.此外,令t hR和t hR为对应的目标S N R.第 卷第期张继荣,等:存在窃听者的协作中继NOMA系统安全性能分析 U在系统中经历的中断概率如前所述,U必须先解码信号x,然后使用S I C解码x.因此,U在系统中的中断概率为po u t,P(Uxt h,Uxt h)pp()其中,pP(Uxt h)pP(Uxt h)式中,p,p为独立分布.可进一步得到p和p的表达式分别为pPaS|hS,U|aS|hS,U|S,US(aa)R|hR,U|R,URt h f|hR,U|(y)(yRS,USR,UR)t h S(aat h)S,Ue x p xS,UdxdyS(aat h)S,US(aat h)S,Ut h Re x p t h(S,USR,UR)S(aat h)S,U,t h aa()pPSa|hS,U|S,USa|hS,U|SaR|hR,U|S,U SaR,URt h f|hR,U|(y)t h(S,USaR|hR,U|S,U SaR,UR)S(aat h)S,Ue x p xS,UdxdyS(aat h)S,US(aat h)S,URt hR,Ue x p t h(S,USaS,USaR,UR)S(aat h)S,U()式中,t ha/a,式子成立.将式()和式()代入式()即可得到U的中断概率.U在系统中经历的中断概率若x在中继R和U处成功解码,则远端用户U不会中断.因此,U经历的中断概率为po u t,P(Rxt h,Uxt h)pp()其中,pP(Rxt h)pP(Uxt h)可进一步得到p和p的表达式分别为pPaS|hS,R|aS|hS,R|S,RSR|hr r|t hf|hr r|(y)(yRS,RS)t hS(aat h)S,Re x p xS,RdxdyS(aat h)S,RS(aat h)S,Rt hRr re x p t h(S,RS)S(aat h)S,Rt haa()pPR|hR,U|R,URt he x p t h(R,UR)RR,U()将式()和式()代入式()即可得到U的中断概率.推论在高信噪比的情况下,U和U的中断概率分别近似为以下两个条件.条件完美的C S I,即i jpo u t,e x p t hS(aat h)S,Ue x p t hS(aat h)S,U()po u t,e x p t hS(aat h)S,Re x p t hRR,U()条件不完全的C S I,即i jp,io u t,e x p t h(aat h)S,Ue x p t h(aat h)S,U()p,io u t,e x p t h(aat h)S,Re x p t h(R,UR)RR,U()西安邮电大学学报 年月当S时,中继R可以成功解码,因此在I C S I情况下,U和U的渐近中断概率为.此外,S,(S)S,当x,e x p(x)x.由以上的分析可以得到,功率分配系数、C E E和信道衰落参数对D F C R E NOMA系统的渐近中断概率有一定影响.当C E E为时,渐近中断概率随着S N R的增加而减小.由于不完全的C S I导致的C E E对用户中断概率有不利影响,并且随着传输S N R的增加,中断概率趋于稳定.因此,即使传输S N R很高,但C E E存在的情况下,在中断概率的计算中会出现错误下限.考虑I S I C对U的中断概率没有影响,因此由于C E E和I S I C的存在,U的中断概率在较高S N R下会出现错误下限.根据所得的U和U的中断概率,基于D F C R E NOMA系统的总体中断概率可以表示为po u tpo u t,po u t,po u t,po u t,()高信噪比条件下系统的吞吐量基站S和中继R以固定速率R和R传输信号,由于信道衰落和C E E的存在会导致信号的传输遭受中断.因此,T被定义为成功传输的概率和传输速率的乘积,即吞吐量的表达式为T(p,io u t,)R(p,io u t,)R()其中,Rl o g(t h)Rl o g(t h)在高信噪比情况下,目标是通过选择最佳功率分配系 数 最 大 化 系 统 吞 吐 量,即aa且aa时,T所能得到的最大值.系统截获概率D F C R E N OMA系统考虑的是当窃听者可获得的信息速率大于用户的目标速率时,可以成功截获用户信号.设定数据速率RRR,结合式(),系统的截获概率的表达式为pi n tPCERPl o gaS|hS,E|aS|hS,E|S,ESR|hR,E|R,ERRYY()其中,YPaS|hS,E|aS|hS,E|S,ESyYPR|hR,E|R,ERyY和Y的分布函数FY(y)和FY(y)的表达式分别为FY(y)PaS|hS,E|aS|hS,E|S,ESyP|hS,E|(y)(S,ES)Sa(y)ae x p(y)(S,ES)S,ESa(y)a()FY(y)PR|hR,E|R,ERyP|hR,E|y(R,ER)Re x p y(R,ER)R,ER,y()式中,ya/a.根据式()和式(),Y和Y的概率密度函数fY(y)和fY(y)分别为fY(y)a(S,ES)a(y)aSS,Ee x p(y)(S,ES)a(y)aSS,E,yaa()fY(y)R,ER RR,Ee x p y(R,ER)RR,E,y()由式()式()可以得到系统截获概率,其表达式为pi n tP(YYR)fY(y)FY(Ry)dyR fY(y)dyR Raa fY(y)FY(Ry)dye x p S,ERRR,E(R)R Raa G(y)dy()式中,R Raa G(y)dy中的G(y)为引用的表达式,根据G a u s s i a n C h e b y s h e vQ u a d r a t u r e定理得到近似表达式为pi n te x p S,ERRS,E(R)aa第 卷第期张继荣,等:存在窃听者的协作中继NOMA系统安全性能分析NNnnGaanaR aa()进一步令zaanaRaa那么可得到G(z)S,ERRR,Ee x p z(S,ER)RR,Ee x p(Rz)(S,ES)a(Rz)aSS,En c o s(n)N式中:n表示足够大的正数;N是高斯切比雪夫节点的数量;n为n阶C h e b y s h e v多项式的零点.仿真结果及分析为了验证所导出的U和U的中断概率、系统吞吐量以及截获概率的解析表达式的准确性,通过蒙特卡罗模拟验证理论数值结果.重点描述所提D F C R E NOMA系统中两个用户的中断概率和截获概率,分析存在C E E和I S I C因素对于系统性能的影响,通过蒙特卡罗模拟验证分析结果.仿真参数设为dS,Rd,dS,d,dR,d,dR,d,dS,E d,dS,E d.其中:d参考距离,选择为k m;dS,R表示是基站S到中继R的距离;dS,表示基站S到U的距离;dR,表示中继R到U的距离;dR,表示中继R到U的距离;dS,E表示基站S到窃听端E的距离;dR,E表示中继R到窃听端E的距离.由此可以得到:S,RR,R,S,;SR;路径损耗系数;t h .模型中主链路周围存在有窃听者,考虑各节点之间的链路服从瑞利衰落,且瑞利衰落因子为S,RR,S,R,.对于高S N R情况,考虑U比U分配了更多的功率,对于发射S N R的所有值,U的中断性能优于U的中断性能.具体的I S I C和存在C E E条件下U和U的中断概率随发射信噪比的变化情况如图所示.由图可以看出,随着值的增加,系统中断概率略有增加.这是因为的增加会在U引入不完全S I C引起的残余干扰.因此,U经历了更高中断概率,同时也增加了系统中断.C E E和I S I C很大程度上影响了所提出的系统的中断性能.中断概率随着发射S N R的增加而降低,并且对于更高的值,可以观察到错误下限,所分析结果与蒙特卡罗模拟完全匹配.图U和U的中断概率随发射S N R的变化情况当 d B和 d B时,在U和U的中断概率与基站S和中继R处功率分配系数关系中,a时U的中断概率最高,U的中断概率最低.具体的U和U中断概率随功率分配系数变化情况如图所示.图U和U中断概率随功率分配系数变化情况由图可以看出,将文献 中的协作中继NOMA系统与D F C R E NOMA系统的性能进行比较,文献 中a时的中断概率小于U的中断概率,中断概率随着功率分配系数的增大而降低.D F C R E NOMA中对于aa,U中断概率首先降低,并在a 和a 附近达到了最小值,而U的中断概率一直增加.考虑通过中继R的端到端链路变得活跃,可在中继R处增加对U的功率分配.当a 时,U的中断概率增加,可以观察到,通过选择a的值,可以保证用户西安邮电大学学报 年月具有更好的中断概率性能以及两个用户的中断概率公平性.在不同目标数据速率及不同的信道估计误差的情况下,当 ,a 时系统的整体中断概率随发射信噪比变化情况如图所示.图系统整体中断概率随发射信噪比变化情况由图可以看出,随着发射功率的增加,所提的D F C R E NOMA系统整体中断概率收敛到了一个恒定值,对于时,系统的中断性能最好.通过降低t h的值,即通过增加中继和目的用户的敏感度,D F C R E NOMA系统的整体中断概率都在下降.此外,还可以发现当系统中存在的C E E值减小时,系统中断性能有所提升,这是由于C E E作为干扰源影响解码中继和用户信号.在功率PS d B的情况下,不同数据速率的系 统 吞 吐 量 与 功 率 分 配 系 数a的 关 系 如 图所示.图系统吞吐量随功率分配系数变化情况由图可以看出,随着a值的增加,D F C R E NOMA的吞吐量首先增加并达到最大值,维持一段时间后开始减小.原因是随着a的值从增加,U的中断概率急剧下降,而U的中断概率缓慢增加.因此,D F C R E NOMA的吞吐量首先增加并且在a的最佳值处达到峰值.然而,进一步增加a值并超过最优值时,U的中断概率开始增加,U的中断概率缓慢下降,最终在a 时趋于稳定.可以进一步观察到,与I C S I和I S I C条件相比,理想条件下D F C R E NOMA系统提供了更好的系统吞吐量.此外,能够确定不同信号的最佳功率分配系数可以在特定的参数集下最大化系统吞吐量.在D F C R E NOMA中,系统的截获概率随着发射信噪比变化而变化,为了区别窃听链路和主链路的信道状态,设置S,ER,EE;r r.系统截 获 概 率 随 发 射 信 噪 比 的 变 化 情 况 如 图所示.图系统截获概率随发射信噪比的变化情况由图可以看出,考虑在信道条件一定的情况下,窃听链路在截获信息时可获得的传输速率是一定的,因此随着发射信噪比的增加,当目标数据速率越大,系统的截获概率越小.当目标速率提高时,窃听者将很难对所截获的信息进行正确解码.另外,在目标速率一定时,功率分配对系统的截获概率影响较大,a越大,系统的截获概率越低,当U和U的功率分配相接近时,对于窃听者更难获取用户信息,导致截获概率降低.为了说明C E E对D C F R E NOMA系统的截获概率的影响,将发射信噪比作为参数,研究与截获概率的关系.在a 和t h 的情况下,所提的D F C R E NOMA系统截获概率随信道估计误差的变化情况如图所示.第 卷第期张继荣,等:存在窃听者的协作中继NOMA系统安全性能分析图系统截获概率随信道估计误差的变化情况由图可以看出,随着信道估计误差的增加,截获概率越来越小,这是因为C E E充当了干扰源,影响了窃听者获取用户的信息.当发射功率增加时,系统被拦截的可能性会逐渐增大,当PS减小时,中继转发信号在窃听者窃取信息时起到重要作用.对于系统的分析结果与蒙特卡罗模拟完全匹配.随着目标数据速率的增大,系统的截获概率逐渐减小,当目标数据速率增大,窃听端对所截获信息难以正确解码.在a 时,截获概率随目标数据速率的变化情况如图所示.图系统截获概率随目标数据速率的变化情况由图可以看出,当信道条件一定时,发射信噪比越大,系统截获概率变小.这是因为窃听端接收到来自基站和中继的信息,并采用MR C方式将两路信号合并,基站发出的信号对于窃听者的信息截获起主要影响作用.结语为了对存在窃听者的非正交多址系统性能进行研究,提出了D F C R E NOMA系统.该系统在I S I C和I C S I同时存在的条件下,从中断概率、截获概率和系统吞吐量多角度分析了系统的安全性能.同时,研究了不同参数对所提的D F C R E NO MA系统的性能影响,通过蒙特卡罗模拟验证了理论数值结果的正确性.验证结果表明,自干扰因素对系统性能影响较大,将D F C R E NOMA的安全性能与文献 中的协作中继NOMA系统进行了比较,并验证D F C R E NOMA在防止用户信息被窃取方面优于文献 中的协作中继NOMA系统.通过以上分析结果可以得出,选择合适的功率分配系数和目标数据速率等系统参数可以确保D F C R E NOMA呈现出更好的性能.下一步将考虑研究在存在窃听者时多中继NOMA系统的性能.参考文献D I N GZ,L E IX,KA R A G I ANN I D I SGK,e ta l As u r v e y o n n o n o r t h o g o n a l m u l t i p l ea c c e s sf o r G n e t w o r k s:R e s e a r c hc h a l l e n g e sa n df u t u r e t r e n d sJ I E E EJ o u r n a l o nS e l e c t e dA r e a s i nC o mm u n i c a t i o n s,():I S WA R YAN,J AYA S HR E ELS As u r v e yo ns u c c e s s i v e i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ns c h e m e si nn o n o r t h o g o n a lm u l t i p l ea c c e s s f o r f u t u r er a d i oa c c e s sJ W i r e l e s sP e r s o n a lC o mm u n i c a t i o n s,():KA D E R M F,S HAHA B M B,S H I NSY E x p l o i t i n gn o n o r t h o g o n a l m u l t i p l e a c c e s si n c o o p e r a t i v er e l a ys h a r i n gJ I E E E C o mm u n i c a t i o n sL e t t e r s,():Z HAN G Y,Z HE N Y,F E N G Y,e ta l P e r f o r m a n c ea n a l y s i so fan o v e lu p l i n kc o o