基于物理層安全的D2D功率控制和信道接入*

江琳麗，羅屹潔，張雅敏

（解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

基于物理層安全的D2D功率控制和信道接入*

江琳麗，羅屹潔，張雅敏

（解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

D2D通信技術在改善無線系統頻譜效率和能量效能方面具有巨大潛能，因此在第五代移動通信網絡中擁有大好前景。目前，針對D2D通信的研究主要集中在干擾避免、資源分配等方面，而對其安全性方面的考量較少。著眼D2D通信的物理層安全，考慮在滿足D2D安全中斷概率需求的條件下如何進行功率控制和信道接入來最大化網絡容量的問題，從而在理論分析的基礎上獲得了功率控制和信道接入算法，并通過數值仿真驗證了算法的有效性和可行性。

安全中斷概率；功率控制；信道接入；D2D通信

0 引 言

D2D通信作為第五代移動通信系統的一個重要組成部分，因其能夠提高頻譜效率、為基站分擔網絡負載以及在緊急情況下的應用[1]等，受到越來越多的關注。D2D通信不需要通過基站而直接進行通信，通過與蜂窩用戶共享信道可以提高頻譜復用率。同時，由于D2D設備地理位置接近而降低了終端發射功率，因此在一定程度上解決了無線通信系統頻譜資源匱乏的問題，同時提高了系統的能量效率[2]。但是，一方面由于要與蜂窩用戶共用信道，D2D可能對蜂窩用戶的正常通信造成一定的干擾；另一方面，在獲得繞過基站直接通信便利的同時，D2D通信的安全性也會受到更大的威脅。

目前，針對D2D通信的大部分研究都集中在蜂窩網絡中引入D2D通信后的干擾避免、資源分配方面等，而對于D2D使能蜂窩網絡的物理層安全問題考慮較少。文獻[3]獲得了兩個網絡節點通過D2D直連和通過AP轉發兩種情形下的安全中斷概率性能并進行了比較，發現D2D模式可以比譯碼轉發的情形獲得安全優勢。文獻[4-5]在安全場景下同時對D2D通信對的發射功率和信道分配進行優化，但考慮的是蜂窩用戶的物理層安全問題，沒有考慮D2D通信對的安全問題。鑒于此，本文從D2D通信本身的物理層安全問題出發來考慮，在滿足D2D安全中斷概率要求下，最大化整個系統的網絡容量。

本文結構安排如下：首先建立系統模型，然后根據建立的模型對所求對象系統的網絡容量進行描述，并明確要優化的目標函數，同時通過理論分析、公式推導和仿真驗證，在滿足D2D通信安全中斷概率前提下，利用D2D用戶的功率控制和信道接入算法，最大化系統的網絡容量。

1 系統模型和問題描述

1.1 系統模型

本文考慮的系統模型為：蜂窩系統單一小區的下行鏈路，一個基站，M個蜂窩用戶，使用M個彼此正交的信道，一個竊聽者和一個D2D通信對。竊聽者主要竊聽D2D通信對。假設D2D通信對每次只能接入一個信道。系統模型如圖1所示。

圖1 系統模型

1.2 問題描述

假設基站的發射功率為PB，D2D通信對的傳輸功率為PD，噪聲功率為N0，基站到第i個蜂窩用戶的信道增益為hc,i，基站到D2D通信對接收機的信道增益為hbd，D2D通信對發射機到與之共享信道的蜂窩用戶之間的信道增益為hdc，基站到竊聽者的信道增益為hbe，則D2D通信對的可達速率為：

D2D通信對發射機到竊聽者的信道增益為hde，則其安全速率為：

本文將用安全中斷概率Pout=Pr{RDs〈Cs}〈ξ來表示D2D通信的最低安全需求：

假設除了竊聽信道外，其他的信道信息都已知（一般討論安全容量的情形中都這樣假設）。由于竊聽信道的狀態信息不可知，因此假設hde，hbe滿足指數分布則：

而蜂窩用戶的總的可達速率為：

則包含D2D通信在內的系統總的可達速率為：

本文想要討論的是在保證D2D通信安全的基礎上，最大化系統容量的問題，可以表示為：

D2D通信對的傳輸功率越大，其自身的傳輸速率就越高。但是，因為D2D通信對要重用蜂窩用戶的信道，所以會對蜂窩用戶造成干擾，造成蜂窩系統的吞吐量下降。因此，需要求取最佳的D2D傳輸功率來最大化整個系統的總的網絡容量。

2 問題求解和算法提出

2.1 問題求解

考慮網絡容量，需對D2D發射功率PD求導并令其等于0，得到：

則式（7）的解取決于信道狀態的情況。當Δ=B2-4AC≥0時，方程有解，解可能是極大值或者極小值，具體取決于二次求導的情況。二次求導為：

由式（11）無法直觀看出其值是正還是負，但不管怎樣，最佳的發射功率都將在{PDmin,PDopt,PDmax}中獲得。再加上需要滿足安全中斷概率的要求，則使得網絡容量最大化的最佳發射功率在{PDξ,PDopt,PDmax}中取得，其中PDξ表示滿足安全中斷概率要求的最小D2D傳輸功率。

2.2 功率控制和信道接入算法的提出

通過以上的分析，獲得在D2D安全中斷概率要求下的功率控制和信道接入算法，描述如下：

（1）選取合適的ξ，使得Pout(PD)≤ξ，將D2D發射功率的取值范圍限定為PDξ≤PD≤PDmax。

（3）將D2D接入不同的蜂窩用戶信道，計算網絡容量：

并比較大小，選取能使網絡容量最大化的信道接入，確定信道接入策略。

3 仿真分析

根據以上的分析，采用MATLAB對以上提出的功率控制和信道接入算法進行仿真。假設在一個單一小區中存在5個蜂窩用戶，1個D2D通信對，1個竊聽用戶，蜂窩用戶均勻分布在半徑為1 000 m的小區內，D2D通信對之間的距離為20 m，所有的信道增益滿足瑞利衰落，噪聲功率為N0=10-10W，D2D發射功率PD(pW)∈[0,100]。圖2為D2D安全中斷概率隨著D2D發射功率變化的曲線。從圖2可以看出，D2D安全中斷概率隨著D2D發射功率的增大而減小。如果設定ξ=0.2375，則D2D的發射功率必須大于2 mW，則其取值范圍為[2，100]。

圖2 安全中斷概率隨D2D發射功率的變化情況

圖3為D2D接入某一信道時，網絡容量隨其發射功率和變化的曲線，其中橫坐標為PD，縱坐標為網絡容量UC。可以看出，在這種信道條件下，UC是PD的凹函數，即隨著D2D對發射功率的增大，系統效用函數UC先減小后增大，且在PDopt處取得極小值。在PD∈[2,100]約束條件下，UC∈[39.53,39.8]，在PD=2時取得最大值39.8，即最佳發射功率為2 mW。

圖3 D2D接入某一信道時，網絡容量隨其發射功率變化的曲線

圖4為D2D通信對接入5條不同信道后系統容量的曲線對比，其中橫坐標為PD，縱坐標為網絡容量UC，不同線型的曲線分別表示D2D對接入不同信道時的網絡容量變化的曲線。

圖4 D2D接入不同信道時，網絡容量隨其發射功率變化的曲線

根據圖3和圖4發現，網絡容量的最大值確實是在D2D取值范圍的端點獲得，和理論分析的結果完全符合。同時，比較D2D通信對接入5種不同信道時的UCmax，顯然此時仿真中D2D對接入第1條信道時的網絡容量最大，且在PD=100時取得最大值48.81，即最佳發射功率為100 mW。

4 結 語

本文考慮了D2D通信的物理層安全問題，在滿足其安全中斷概率要求的情況下，優化D2D通信的發射功率和信道接入，以最大化整個系統的網絡容量。同時，通過數值仿真對不同信道狀態下的D2D功率控制和信道接入算法進行了驗證和分析。

[1] Wei L,Hu R,Qian Y,Wu G.Enable Device-to-Device Communications Underlaying Cellular Networks: Challenges and Research Aspects[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(06)：90-96:.

[2] Zhou Z,Dong M,Ota K,et al.Energy Efficiency and Spectral Efficiency Tradeoff in Device-to-Device (D2D)Communications[J].IEEE Communications Letters,2014,3(05):485-488.

[3] Zhu D,Swindlehurst AL,Fakoorian SAA,et al.Deviceto-Device Communications: The Physical Layer Security Advantage[C].2014 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP),2014:1606-1610.

[4] Yue J,Ma C,Yu H,et al.Secrecy-b ased Access Control for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks[J].IEEE Communications Letters,2013,17(11): 2068-2071.

[5] Yue J,Ma C,Yu H,et al. Secrecy-based Channel Assignment for Device-to-Device Communication: An Auction Approach[C].International Conference on Wireless Communications & Signal Processing,2013,411(06):1-6.

江琳麗（1994—），女，本科，主要研究方向為無線通信；

羅屹潔（1981—），女，研究生，講師，主要研究方向為無線通信；

張雅敏（1989—），女，本科，主要研究方向為無線通信。

Power Control and Channel Access for D2D Communications based on Physical Layer Security

JIANG Lin-li,LUO Yi-jie,ZHANG Ya-min
(College of Communication Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210007,China)

D2D communications is a promising technology in 5G mobile communication network for its great potential in improving spectrum efficiency and energy efficiency of wireless systems. At present, much research of D2D communications is focused on interference avoidance and resource allocation, while less consideration on security. With focus on the physical layer security of D2D communications, and consideration on maximization problem of network capacity through power control and channel access of D2D communications in meeting the security outage probability of D2D communicationsk, the corresponding algorithm is derived through theory analysis, and meanwhile, its availability is verified via numerical simulation.

security outage probability; power control; channel access; D2D communication

TN91

A

1002-0802(2016)-07-0872-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.015

2016-03-19;

2016-06-17 Received date:2016-03-19;Revised date:2016-06-17