基于DF-NOMA辅助的PLC系统安全性能分析.pdf
《基于DF-NOMA辅助的PLC系统安全性能分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于DF-NOMA辅助的PLC系统安全性能分析.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第2 7 卷第2 期2024年4月扬州大学学报(自然科学版)Journal of Yangzhou University(Natural Science Edition)Vol.27 No.2Apr.2024基于 DF-NOMA辅助的 PLC系统安全性能分析吴菁菁1,杨晴1*,丁杰,赵宇1(1.扬州大学信息工程学院,江苏扬州2 2 5117;2.江苏科技大学计算机学院,江苏镇江2 12 10 0)摘要:为了探求影响电力通信系统数据安全传输的关键因素,构建基于解码转发(decode-and-forward,DF)中继和非正交多址接人(non-orthogonalmultiple access,N
2、O M A)技术辅助的电力线通信(power linecommunication,PLC)系统,并研究其安全传输性能.针对外部窃听和内部窃听两种情况,联合考虑背景噪声和脉冲噪声的影响,分析系统的可达速率、遍历安全速率和安全中断概率等性能,并利用高斯-切比雪夫求积方法获得其相应的闭合表达式.结果表明:较高的脉冲噪声会降低系统的频谱效率和安全传输性能;功率分配系数以及源用户到中继用户的距离均对系统安全传输产生显著影响.进一步地,通过蒙特卡罗仿真实验验证了理论分析的正确性。关键词:电力线通信;非正交多址接入;物理层安全;遍历安全速率;安全中断概率中图分类号:TN918.81D0I:10.19411/
3、j.1007-824x.2024.02.005文献标志码:A文章编号:10 0 7-8 2 4X(2024)02-0026-09电力线通信(powerline communication,PLC)主要利用现有电力线实现高速数据传输通信,无须重新架设网络线路.PLC具有部署方便和覆盖范围广等优点,在智能家庭或智慧城市等领域得到广泛应用!.然而,PLC通信信道衰落较大,并且设备的大量接入及频繁的负载切换使得其易受脉冲噪声的影响,在很大程度上限制了PLC的通信性能2 .采用放大转发或解码转发(decode-and-forward,D F)协议的中继技术可有效对抗PLC中的信号衰落和噪声干扰,从而拓展
4、PLC通信的覆盖范围并提升系统性能3,与此同时,非正交多址接人(non-orthogonalmultiple access,NO M A)技术允许多个用户在同一时频资源上发送和接收信号,可显著提高系统的频谱效率,备受国内外学者的关注4。随着网络购物和电子银行的普及,在当今信息社会,数据的安全传输尤为重要.然而,目前关于PLC的研究主要集中在频谱效率、可靠性和功耗等方面5-7,而关于PLC网络物理层安全方面的研究甚少.Mohan等研究了单用户PLC通信网络中的安全中断概率(secrecy outage probabil-ity,SO P)和严格正安全容量性能,却未考虑多用户情况.众所周知,随着海
5、量设备接入通信网络,多用户通信已成为普遍的通信场景.Ahiadormey等9 I在NOMA辅助的PLC网络中研究了系统的SOP性能,但因未考虑中继技术,故而不能有效对抗PLC中的信号衰落或增长通信距离.基于此,本文拟构建基于DF中继和NOMA辅助的PLC系统,研究其频谱效率和安全性等通信性能,以期揭示影响系统性能的关键因素.本文符号定义如下:fx(),Fx()分别为随机变量X的概率密度函数(probability densityfunction,PD F)和累积分布函数(cumulative distribution function,CD F);Q(),Pr(),m i n(,),max(,
6、)分别代表高斯Q函数、概率运算操作、求最小值运算操作和求最大值运算操作。1系统模型考虑如图1所示的基于DF-NOMA辅助的PLC系统,该系统由源用户S、中继用户R、近用户收稿日期:2 0 2 3-0 4-14.联系人,E-mail:jingyangyzu.edu,cn,基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 2 0 52 8 3);中国博士后科学基金资助项目(2 0 2 2 M712697).引文格式:吴菁菁,杨晴,丁杰,等:基于DF一NOMA辅助的PLC系统安全性能分析J.扬州大学学报(自然科学版),2 0 2 4,27(2):26-34.第2 期U1、远用户U以及窃听用户E组成,所有用
7、户均配备单天线.源用户S在R的帮助下与UI、U 通信.合法链路 SR、RU I、RU 和窃听链路RE的信道衰落系数分别以hsR,hRu,,h r u z,h r e 表示.假设hm服从独立且同分布的对数正态衰落,即hml n(,o),mE(SR,RUi,RU2,RE),其中,o分别表示lnhm的均值和方差.于是,hm服从平方对数正态分布,其PDF和CDF分别为10 11fh(a)=V8元2Fr()=1-Q综合考虑噪声和信道衰落的影响,定义Am为PLC链路的线路损耗,A=e x p(一(b。十brf)dm),其中dm为链路距离,f为发射频率,k、b。和b1均为衰减常数.1.1噪声建模PLC 通信
8、链路中的噪声通常是背景噪声与脉冲噪声的叠加,常采用Bernoulli-Gaussian 模型11进行建模,通信用户l处的总噪声为ni=n十npn,l E(R,U i,U z,E),其中nB为背景噪声,ni为脉冲噪声,np为伯努利随机变量,且nBM,o)和ni%M O,o i)是均值为O、方差分别为品和i的加性高斯白噪声,于是,的PDF为f(i)=i n,其中=1-,=,(0 1.于是,R处的接收信号为(3)中继用户R将i视为噪声并试图解码2,然后执行串行干扰消除以解码1.假设R可以执行理想的串行干扰消除,即R可成功解码信号a1和2.于是,在中继R处,i的接收信噪比(signalto noise
9、 ratio,SNR)和 2 的接收信干噪比(signal to interference plus noise ratio,SINR)分别为(4)a2piASRhsR(5)aip,AsrhSr+i其中 p,=P/oj.在第二个时隙,R广播叠加信号r一ViP十V2P2.用户U,处的接收信号为根据NOMA技术原理,U直接解调其自身的信息2,并将U的信号i视为干扰.故信号2在U2处的接收 SINR为吴菁菁等:基于DF-NOMA辅助的PLC系统安全性能分析U合法链路图1DF-NOMA辅助的PLC系统模型Fig.1 System model of DF-NOMA-assisted PLC system
10、(ln-2)2exp80(lna-2)20yR=hsRAsRas+nR.yf.1=1p,ASrhSR,Yu,=hru,Aru,r+nu,iE(1,2).27hREhRuhRu:hsRSRU窃听链路E(1)(2)(6)(18)28不同于U,U i 先译码U的信息2并执行串行干扰消除,然后再译码其自身的信息i.于是,Ui处2的接收SINR和i的接收SNR分别为yui2=a1pjAku,hu,+i1yji-i=1 p,ARu,hRu,:下面考虑外部窃听和内部窃听两种场景下窃听链路的信息传输.1)外部窃听场景.窃听用户E可以执行理想的多用户检测,完全消除用户间干扰,当E收到R的广播信号r后,企图窃听U
11、i和U,的信号,该场景即外部窃听.窃听用户E处的接收信号为(10)于是,在窃听用户E处,信号;的接收SNR为yfi=ipjARehRe,iE(1,2).2)内部窃听场景.假设远用户U在获取自身的信号2 后尝试窃听U的信号i,该场景即内部窃听.信号i在U,处的接收SNR为(12)2平均可达速率与遍历安全速率分析2.1平均可达速率合法链路RU,(iE(1,2))、窃听链路RE以及内部窃听链路的瞬时可达速率分别为其中=min(,),=m in(*,2 2).根据平均可达速率12)R2可见欲获得平均可达速率R,RF,RJa,须先得到,i,和a的CDF结果。定理1随机变量和的CDF分别为Fy/i()=1
12、-Q(a1p,AR20Fy/2()=1-(iY)p,ASR202-i7)p;ARu,220证明首先,利用式(4)(9),计算得到的CDF为F()=Pr m i n(,Pr(Fi,yji)=1-Pr(hr1p;ASRip,ARu,OAR扬州大学学报(自然科学版)a2p,ARu,hiuaY22aip,Aku,hru,+i2p,ARu,hRu,YE=hREARECR+nE.yJe-i=ipjARu,hRu,R=-1b(1+i),21-1b(1+yF),RE,2RU2-1b(1+/2*i),2121b(1+)f()dy1n第2 7 卷(7)(8)(9)(11)(13)(14)(15)1(1-F()2d
13、,21n2J。1+nQInQ(hRu,M(16)10;ARu,(17)20-iY)p;ARu,(22020第2 期Y;ARU202)=1 Pr(2,i2,22)=1Pr吴菁菁等:基于DF-NOMA辅助的PLC系统安全性能分析其次,由式(5)(7)(8)可得yi2的CDF为Fye()=Pr mi n(2,29hSR(217Pr(hu,(a2-i)p;AkPrhRu2aa-ip,Aku,i)p;ASR20Q将式(17)(18)代人式(16),并利用高斯-切比雪夫求积方法进行数学处理,得到UI处i和U2处2 的平均可达速率分别为R12%1 4G+M)1n 2L元V-Ry4Ga1+v)1n 202元1
14、-V2In1v2)p;ARuQ20(2g1)元其中$=cos(2G斯-切比雪夫节点的数目,G为复杂性权衡参数.据式(19)(2 0),本文系统的平均可达速率为定理2随机变量F和的CDF分别为InF,F.()=1-Q(ip;ARE20Fyf2*()=1-Q证明由式(2)(11)(12),易证定理2.将式(2 1)(2 2)代人式(16),利用高斯-切比雪夫求积方法,可得窃听用户E窃听用户U.(iE(1,2)信息以及远用户U,窃听Ui信息时的平均可达速率分别为V1nAREg=1 4G(1+vi)In 2Q1nR1 Z1L元V1一g=1 4G(1+vi)In 22.2遍历安全速率安全速率为合法链路与
15、窃听链路的数据速率之差,遍历安全速率则是在所有可能的信道衰落状态下安全速率的平均值.遍历安全速率是衡量用户通信安全性的重要指标之一13。-i)p,ARu,20QV12Rsys=p1(Ri+Ri2)+p2(R21+R2).L元V1-20V1Qp,ARu120i)p;ARu,20V12-1v2)p;ASR20V21v2)p,ARu,202(十1),L为足够大的常数,用于表示高V2211p;ARu20i定理1得证。V1ARU20V2(19)(20)(21)(22)(23)(24)30在外部窃听场景下,即窃听用户E企图窃听用户Ui和U的信息时,Ui和U的瞬时安全速率分别为(25)Rr:/%=Rj2-R
16、F+,(26)其中+=ma x(0,).根据式(19)(2 0)(2 3),可得到用户Ui和U以及系统遍历安全速率分别为Rec:i=pi(Ri1-RF-i)+p2(R2i-R1),Rec-2=pi(Ri2-Rf2)+p2(R2-R*2),扬州大学学报(自然科学版)R:=Rji RF-,第2 7 卷在内部窃听场景下,即U企图译码Ui的信号时,Ui的瞬时安全速率为Rm:i=Rj1RJa+.进一步地,据式(19)(2 4),可得Ui处的遍历安全速率为RmcUi=pr(Ri1-RY2-*)+p2(R21-RJa-*1).3 SOP分析SOP是衡量系统安全性能的重要指标之一,用于反映瞬时安全速率低于预定
17、安全传输速率的概率14.定理3在外部窃听场景下,Ui和U的SOP的解析表达式分别为L元/1-exp(SOPuP,SOPul.,2,P,1-2xt=122R22RRihAREQln1p;ASRsOP=Zj-,SOPla.,Z,-b1-Q2p,AREV3+22RhQi入ip;ASr(d;-vs)20Q1其中山=2-1(22Rth22Rihaia2p;ARE证明根据式(2 5)(2 6),有SOPu.,=Pr(R:JiRh)=1-22RiAREFiu22RhASRaip,ARu,解,故本文利用高斯-切比雪夫求积方法得到式(2 8).同理,可得式(2 9),定理3即得证.定理4在内部窃听场景下,Ui的
18、SOP解析表达式为SOPul2,p,SOPul,2,tp 1-2intg-12Gv1/8元g22RiARu,22R.hASRnV1QQp;AR20(27)InVi2Gv1/8元g80ASRQ20In22Rh20jARE v3+22Rthi入,p,ARu,(,-vs)20Rth2p,AREV3+22Ri入p;ARu,(,-vs)2022Rth2pjARE,V32?RiAREARu,(28)1p;ARu,ARu20d元VexpIn2GV3V8元08022(g g 十1),Rh为用户的目标安全速率.22Rh一Fha1P,ASRfi()da若将式(1)(2)直接代人该式则难以求L元/1dexp(30)
19、22R2Q1ARU(29)(lnVi一802RARu,20第2 期证明22RitARu,ASR解积分,即可得定理4.在外部窃听场景下,系统SOP为U和U,中任意一个用户或两用户同时发生安全中断的概率,即故将式(2 8)(2 9)代人上式,即可求得外部窃听场景下本文所研究系统SOP的理论表达式。4系统仿真结果与分析实验环境为Inteli5CPU,M A T L A BR2 0 19 b 以及Mathematica12.为验证本文理论分析的准确性,现进行蒙特卡洛仿真实验.为便于分析,假设p1=p,p 2=p/(1+K),其中K=oi/品为脉冲噪声指数,其他相关参数的设置如表1所示.设置功率分配系数
20、1=0.25,源用户到中继用户的距离dsR=40m.当脉冲噪声到达概率p=0.001,0.1时,在内外部窃听场景下,用户U1,U 2 的遍历安全速率及系统遍历安全速率随信噪比的变化关系如图2所示.由图2 可见:随信噪比增大和脉冲噪声到达概率力减小,用户的遍历安全速率、系统平均可达速率以及遍历安全速率均有所提升,这表明系统的安全性能得以提升;由于系统中存在窃听,在相同信噪比下,系统的遍历安全速率低于平均可达速率,这意味着为了保证系统的安全传输,不能以系统所能支持的最大数据速率(即平均可达速率)来传输数据,故数据传输速率须低于遍历安全速率,否则信息在传输过程中容易被窃取。2.0:K 仿真值一=0.
21、0 时的恶论值(2H-5.11)/率研一R仿真值P=0.1时的理论值R仿真值1.5*R仿真值1.00.50图2 在不同p下,用户遍历安全速率、系统遍历安全速率和平均可达速率随信噪比变化关系曲线Fig.2 Curves of user ergodic secrecy rate,system ergodic security rate,and average设置功率分配系数1=0.25,脉冲噪声到达概率p=0.001,信噪比p=20dB,源用户到中继用户的距离dsR对SOP性能的影响如图3所示.由图3可见:在外部窃听场景下,当中继R位于S和吴菁菁等:基于DF-NOMA辅助的PLC系统安全性能分析根
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 DF NOMA 辅助 PLC 系统安全 性能 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。