基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统及通信方法

文献发布时间：2024-04-18 19:59:31

技术领域

本发明属于无线通信系统技术领域，涉及一种基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统，本发明还涉及基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法。

背景技术

D2D(Device-to-device)通信技术可以允许两个在一定范围之内的设备之间直接通信，而无需经过基站的转发。将D2D通信技术引入到蜂窝网络中构成D2D蜂窝网络，该网络具有降低基站负载、提高频谱效率、提高吞吐量、降低通信延迟等优点，因此D2D通信技术被视为5G蜂窝网络中的一项关键技术。D2D蜂窝网络的广泛应用将成为未来趋势。

当前越来越多的隐私敏感信息通过D2D蜂窝网络进行传输，然而由于无线通信的广播性和无线信道的开放性，D2D蜂窝网络面临着严峻的通信安全问题。传统的保护通信内容安全的方法包括密码学方法、以及基于信道固有特征的物理层安全方法。然而对于安全需求高的特殊场景，例如银行金融交易业务、个人医疗数据共享等，对通信内容的保护无法满足安全需求，还需要对通信过程的存在性进行保护。因此以隐藏通信过程为目的的隐蔽通信技术引起了广泛关注。

然而目前大多数关于D2D蜂窝网络隐蔽通信的研究关注于实现D2D链路的隐蔽通信，仅有少部分研究关注于实现蜂窝链路的隐蔽通信，并且这些研究仅考虑了单个监测者的场景。因此，对多不共谋监测者场景下基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统及其通信方法进行研究，并对其隐蔽性和隐蔽速率进行分析是必要与可行的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统，解决了现有技术中存在的在蜂窝链路的隐蔽通信中仅考虑了单个监测者的场景的问题。

本发明的另一个目的是提供基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法。

本发明所采用的技术方案是，基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统，包括基站BS、蜂窝发送方CT、蜂窝接收方CR、D2D通信对以及K个不共谋的监测者；

其中，D2D通信对包括D2D发送方DT、D2D接收方DR；

蜂窝发送方CT向基站BS发送隐蔽信号为蜂窝上行链路CT-BS，基站BS向蜂窝接收方CR发送蜂窝下行信号，D2D发送方DT向D2D接收方DR发送D2D信号为D2D链路DT-DR，K个不共谋的监测者对蜂窝上行链路进行监测，同时监测者会受到来自D2D链路的干扰，监测者受到来自D2D链路的干扰为干扰链路DT-w

本发明的特点还在于，

基站BS、蜂窝发送方CT、蜂窝接收方CR、D2D通信对以及K个不共谋的监测者均为通讯节点且均采用单天线。

还包括以下通信链路：基站BS向蜂窝接收方CR发送蜂窝下行信号为蜂窝下行链路BS-CR，K个不共谋的监测者对蜂窝上行链路进行监测为k条监测链路CT-w

各通信链路服从独立准静态瑞利衰落，相应的信道系数为独立循环对称复高斯随机变量；信道系数在一个时隙内不变，而在时隙之间随机变化；

从节点s到合法节点r的信道系数h

所有监测者已知与他们自己关联的链路的信道状态信息CSI，合法用户只知道与监测者关联链路的信道分布信息CDI，蜂窝链路和D2D链路之间只知道彼此的CDI；通信节点蜂窝接收方CR、D2D接收方DR、基站BS以及第k个监测者处的环境噪声n

其中，

本发明采用的另一种技术方案是，基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法，采用上述基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统，具体按照如下步骤实施：

步骤1，建立基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统；

步骤2，建立监测者的监测模型，即K个不共谋的监测者对蜂窝上行链路CT-BS是否进行隐蔽信号的传输进行监测；

步骤3，完成多不共谋监测者场景下基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统的隐蔽性计算，即对最优监测者的平均最小检测错误概率进行计算，并判断其是否满足隐蔽性需求；

步骤4，完成多不共谋监测者场景下基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统的隐蔽速率计算；

步骤5，优化多不共谋监测者场景下基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统的隐蔽速率。

步骤2具体按照如下步骤实施：

步骤2.1，分析第k个监测者的监测过程，k＝1,2,…,K，即第k个监测者收集一个时隙的信号，并基于二元假设检验将其收集信号的功率平均值Y

则第k个监测者在一个时隙内接收到的第i个信号y

其中，x

步骤2.2，监测者将其收集信号的功率平均值Y

其中，D

步骤3具体为：

步骤3.1，计算第k个监测者的虚警概率P

当I→∞时，结合公式(2)和(3)，计算得到监测者k一个时隙内收集到的信号的功率平均值Y

其中

基于功率平均值Y

其中，

在H

其中

步骤3.2，计算第k个监测者的最优检测阈值和最小检测错误概率，具体为：当在H

第k个监测者的检测错误概率分为以下两种情况给出：

当

当检测阈值

当

由于ξ

综上，第k个监测者的最优检测阈值是：

第k个监测者的最小检测错误概率是

步骤3.3，找到最优的监测者，并计算该监测者的最小检测错误概率，具体为：

多个监测者非共谋时，至少一个监测者检测到蜂窝链路的通信过程，则认为无法实现隐蔽通信，因此，即需要找到最优的监测者，其检测错误概率是所有监测者中最小的；

令

由于

其中

步骤3.4，计算最优监测者的平均最小检测错误概率，具体为：

最优监测者k

其中，

其中，首先需要计算μ

从而

将公式(15)和(16)代入(13)，得到最优监测者k

其中

步骤3.5，判断隐蔽通信系统的隐蔽性是否满足隐蔽通信需求，即判断最优监测者k

步骤4具体为：

步骤4.1，计算蜂窝链路CT-BS和D2D链路DT-DR的通信中断概率，具体为：

基站BS接收到的信号是

蜂窝链路的瞬时信道容量为C

其中，

D2D接收方DR接收到的信号是

D2D链路的瞬时信道容量为C

其中，

步骤4.2，计算蜂窝链路的平均隐蔽通信速率

步骤5具体为：

优化蜂窝链路的平均隐蔽速率

其中

本发明的有益效果是：

本发明通过多不共谋监测者场景下基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信模型构建，隐蔽性计算和隐蔽速率计算，可获得大于零的隐蔽速率，且在D2D链路的辅助下蜂窝链路的隐蔽性和隐蔽速率得到有效提高。其中，工作于底层模式的D2D链路复用蜂窝链路的频谱资源，从而D2D链路和蜂窝链路之间产生同频干扰，然而该干扰可以作为友好的辅助，通过动态调整D2D发送方的功率向监测者造成不确定因素，实现蜂窝链路的隐蔽通信，并有效提高了系统隐蔽性和隐蔽速率。在隐蔽性计算中，考虑蜂窝发送方未知监测者的检测阈值，以最小检测错误概率代替检测错误概率，考虑多个监测者不共谋的场景，选择检测错误概率最小的一个监测者来衡量隐蔽性，且考虑蜂窝发送方对监测者链路的瞬时信道状态信息具有不确定性，采用平均最小检测错误概率来衡量隐蔽性。在隐蔽速率计算中，综合考虑了蜂窝链路和D2D链路的中断概率，通过调整D2D发送方的功率，可获得大于零的平均隐蔽速率。

附图说明

图1是本发明基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统的结构示意图；

图2是本发明基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法的总体流程图；

图3是本发明基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法中蜂窝隐蔽通信模型检测错误概率计算流程图；

图4是本发明基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法中蜂窝隐蔽通信模型平均隐蔽通信速率计算流程图；

图5是本发明基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法中平均最小检测错误概率与DT最大发射功率的关系图；

图6是基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法中平均隐蔽通信速率与DT最大发射功率的关系图。

图中：1.基站BS，2.蜂窝发送方CT，3.蜂窝接收方CR，4.D2D通信对，5.D2D发送方DT，6.D2D接收方DR。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统，其结构如图1所示，包括基站BS1、蜂窝发送方CT2、蜂窝接收方CR3、D2D通信对4以及K个不共谋的监测者；

其中，D2D通信对4包括D2D发送方DT5、D2D接收方DR6；

蜂窝发送方CT2向基站BS1发送隐蔽信号为蜂窝上行链路CT-BS，基站BS1向蜂窝接收方CR3发送蜂窝下行信号，D2D发送方DT5向D2D接收方DR6发送D2D信号为D2D链路DT-DR，K个不共谋的监测者对蜂窝上行链路进行监测，同时监测者会受到来自D2D链路的干扰，监测者受到来自D2D链路的干扰为干扰链路DT-w

基站BS1、蜂窝发送方CT2、蜂窝接收方CR3、D2D通信对4以及K个不共谋的监测者均为通讯节点且均采用单天线。

还包括以下通信链路：基站BS1向蜂窝接收方CR3发送蜂窝下行信号为蜂窝下行链路BS-CR，K个不共谋的监测者对蜂窝上行链路进行监测为k条监测链路CT-w

各通信链路服从独立准静态瑞利衰落，相应的信道系数为独立循环对称复高斯随机变量；信道系数在一个时隙内不变，而在时隙之间随机变化；

从节点s到合法节点r的信道系数h

所有监测者已知与他们自己关联的链路的信道状态信息CSI，合法用户只知道与监测者关联链路的信道分布信息CDI，蜂窝链路和D2D链路之间只知道彼此的CDI；通信节点蜂窝接收方CR3、D2D接收方DR6、基站BS1以及第k个监测者处的环境噪声n

其中，

实施例2

本发明基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信方法，采用上述基于D2D技术的蜂窝隐蔽通信系统，其流程如图2所示，具体按照如下步骤实施：