基于带内无线回程的HetNets安全性能研究

颉满刚,贾向东,2,周 猛,纪珊珊,焦金良,杨 正

(1.西北师范大学 计算机科学与工程学院,兰州 730070; 2.南京邮电大学 江苏省无线通信重点实验室,南京 210003)

0 概述

大规模多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)[1-3]、全双工(Full-Duplex,FD)[4]和异构网络(Heterogeneous Networks,HetNets)[5-6]是未来5G网络的3种关键技术,三者的有效结合能够发挥自个优势,并极大提高系统性能。然而,随着小蜂窝网络的大规模部署,大量的回程数据需要反馈到核心网,回程问题变得日趋重要[7]。

一般有3种小蜂窝回程解决方案,即有线光纤连接方案,微波或毫米波点对点定向无线传输方案和共享接入网频谱无线传输方案。在这3种回程传输方案中,由于接入网无线电波的广播属性,共享接入网频谱无线传输方案特别适合于非视距传输场景,能够很好满足具有高大建筑物的市区无线通信需求,特别是带内(In-Band,IB)接入网频谱共享方案(蜂窝网链路和回程链路工作在同一频段)因其较高的频谱效率备受青睐[8]。同时,考虑到回程传输和接入网传输间的互干扰,在已有的文献中重点将回程传输看作无线接入网通信的一种障碍,即带内无线回程将使接入容量下降,误码率增加[9]。然而,当考虑到安全问题时,情况可能并非如此,由于回程传输对窃听者来讲是未知信号,可降低窃听信号信噪比,有利于提高网络的安全性能[10-12]。

基于上述考虑,本文建立一种基于带内无线回程的FD大规模MIMO双层HetNets模型。大规模MIMO宏蜂窝基站(Macro Cell Base Station,MBS)和单天线小蜂窝基站(Small Cell Base Station,SBS)均工作在带内回程模式,宏蜂窝和小蜂窝用户共享接入和回程链路频带资源,并受恶意窃听者的窃听。在该网络模型下,研究宏蜂窝下行和小蜂窝上行链路的安全概率。

1 网络模型及信道假设

如图1所示,FD大规模MIMO双层HetNets由宏蜂窝用户终端(User Equipment,UE)、小蜂窝UE和窃听者(Eavesdropper,Eve)组成,小蜂窝覆盖在宏蜂窝之上减轻宏蜂窝负载。MBS与UE、UE与SBS、MBS与SBS之间的链路分别为宏蜂窝下行、小蜂窝上行和回程链路。小蜂窝通过MBS连接到核心网,MBS提供无线回程连接到小蜂窝,MBS和SBS都工作在FD模式。MBS配备了MTx个发送天线和MRx个接收天线,而SBS和UE均配备单天线。同时,假设一个MBS能够服务的最大UE数为Nm,最大回程数Nn,且满足min(MTx,MRx)>>Nn和min(MTx,MRx)>>Nm。宏蜂窝和小蜂窝链路被恶意的Eve所窃听,Eve只对宏蜂窝与小蜂窝的信号进行拦截和破译并不对其进行篡改。

图1 基于带内无线回程的全双工大规模

同时,仅考虑宏蜂窝下行和小蜂窝上行传输,宏蜂窝与小蜂窝共享频谱。假设系统获得了可靠的信道状态信息,MBS采用迫零接收和发送。有以下信号传输方案:对于小蜂窝上行,在相同的时频资源块,任一个SBS能够以功率PSB发送回程数据到与其对应MBS,同时接收距离最近UE以功率PUE发送的数据。对于宏蜂窝下行,任一个MBS以功率PMB发送数据到其对应的UE,同时接收来自于SBS的回程数据。

2 安全概率分析

2.1 宏蜂窝下行链路安全概率

不失一般性,考虑任一宏蜂窝下行链路,宏蜂窝UE位于原点o,MBS位于点x。那么,位于z点处的Eve接收到的信号与干扰噪声比(Signal to Interference Noise Ratio,SINR)表示为:

(1)

在被动Eve场景下,每一条链路都暴露于所有的Eve。此时,只需考虑最恶意的Eve,其拥有最强SINR。那么,任一宏蜂窝下行链路的安全概率可以表示为:

(2)

定理1在基于带内无线回程的全双工大规模MIMO双层HetNets中,任一宏蜂窝下行链路的安全概率可以表示为:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

根据hz～Γ(min(Nm,Km)-1,1),hz的概率密以度函数可以写成:

(9)

将式(9)代入式(8)得到:

(10)

其中,(a)满足文献[14]中的式(3.381.4)。

将式(10)代入式(7),得到可实现的安全概率为:

(11)

(12)

其中,(c)满足文献[15]中的映射理论。根据hlz～Γ(min(Nm,Km),1),式(12)的积分项中期望可以写成:

(13)

结合式(13)和式(12),得到:

(14)

(15)

其中,(d)满足文献[14]中的式(3.194.3),结合式(15)和式(14),可以得到式(4)。

(16)

经过适当数学运算,可以得到式(5)。利用类似方法可以得到式(6)。

2.2 小蜂窝上行链路安全概率分析

这部分主要研究小蜂窝下行链路安全概率。假设一SBS位于原点o与一个位于点y的UE通信。此时,位于点v处的Eve从任一UE与其对应SBS通信过程中接收到的SINR可以表示为:

(17)

基于式(17),考虑最恶意的Eve情形,小蜂窝上行链路的安全概率可以定义为:

(18)

定理2在基于带内无线回程的全双工大规模MIMO双层HetNets中,任一小蜂窝上行链路的安全概率可以表示为:

(19)

证明:将式(17)代入式(18),得到:

(20)

根据拉普拉斯变换的定义,得到式(19)。

定理2表明,利用回程干扰能够有效提高小蜂窝传输的安全性能。除了回程之外,安全概率还随着强度λS和λUE的增加而增加。此外,随着λM的增加,小蜂窝传输的安全概率增大。

3 数值分析

图2研究了在不同λS下MBS-UE下行和UE-SBS上行链路的安全概率。图2(a)给出了MBS-UE下行链路安全概率与λEv的关系,而图2(b)则给出了UE-SBS上行链路安全概率与λEv的关系。观察图2可以发现,MBS-UE和UE-SBS链路的安全概率随着λEv的增加逐渐降低,这是因为随着λEv的增大,通信链路暴露给更多的Eve,导致系统的安全性能降低。显然,得到的结果与实际网络模型相一致。同时,比较图2(a)和图2(b),不难发现,对于任一给定的λEv,MBS-UE比UE-SBS链路有更高的安全概率,这也就是说,在提出的HetNets模型中,宏蜂窝比小蜂窝传输更为安全。对此有以下解释:在HetNets中,MBS配备了大规模MIMO,并采用了迫零预处理方案,由于受到了巨大波束赋形增益的影响,MBS-UE链路中任一UE接收到的SINR得到极大提高。同时,图2(a)和图2(b)对带内全双工(IB-FD)和带外全双工(OB-FD)2种模式做了比较,结果表明,HetNets在IB-FD模式下的性能要优于OB-FD模式,这是由于IB-FD模式充分利用了回程干扰。此外,随着λS增大,系统安全性能提高,IB-FD与OB-FD的安全概率间隙减小。

图2 宏蜂窝下行和小蜂窝上行链路的安全概率

图3 宏蜂窝下行和小蜂窝上行安全概率与λS和

图4 宏蜂窝下行链路安全概率与不同安全门限的关系

4 结束语

本文提出一种带内全双工无线回程方案。在大规模MIMO双层异构网络中,将回程信号作为宏蜂窝和小蜂窝通信链路的干扰信号,分别研究宏蜂窝下行和小蜂窝上行链路的安全概率。实验结果表明,利用带内全双工无线回程可以有效提高系统的安全性能,且带内模式优于带外模式。今后将通过采用随机几何方法,借助凸优化理论,针对异构网络覆盖性能展开研究,以达到网络覆盖性能的最优化。

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