[发明专利]基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法

说明书

本发明公开了一种基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法，介绍了三种与下行NOMA相关的物理层认证方案，它们分别是用户共享认证标签的物理层认证方案PLA‑SAT、用户使用独立认证标签的物理层认证方案PLA‑SIT以及用户按时分复用使用认证标签的物理层认证方案PLA‑TDM。在AmBC‑NOMA通信系统中对NOMA用户进行物理层认证分析是本发明的关键。本发明主要分析了在三种物理层认证方案下NOMA用户的鲁棒性。最后，本发明通过计算用户的虚警概率PFA以及检测概率PD进一步分析了系统的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法。

背景技术

近几年来，环境背向散射(AmBC)技术由于其低功耗、低成本及较高的频谱资源利用率，使得它成为了低能量通信系统中一项有前途的技术，而且它能够有效解决传统背向散射(Backscatter)技术带来的一些限制。在AmBC系统中，Backscatter设备可以利用周边射频源的环境信号广播进行相互通信，例如：电视塔、调频塔、蜂窝基站和Wi-Fi接入点。AmBC技术有着较高的包容性，可以与多种其它技术相结合以提高系统性能，例如：非正交多址接入(NOMA)技术、认知无线电、可见光通信、设备到设备(D2D)通信等。虽然使用AmBC技术能够带来很多益处，然而简单地使用AmBC通信可能不足以有效地连接B5G物联网中的大量设备。因此，本发明将NOMA与AmBC技术集成到一个通信系统中，基于NOMA的AmBC通信有望显著改善B5G物联网中的低功耗问题，可以有效地提高频谱效率。在AmBC-NOMA通信系统中，很多学者已经对其进行了研究分析，但关于物理层安全认证的分析目前尚未被研究，研究通信系统的物理层认证指标有助于进一步提高系统的安全性。

身份认证指的是一个验证身份声明的过程。大多数身份验证机制(如：数字签名和证书)存在于物理层之上，但也有一些方案(如扩频通信)存在于物理层。物理层的扩频技术虽然隐蔽且有较高的鲁棒性，但是它是以带宽扩展为代价的，而且这种方案只允许了解秘密且经过验证的各方参加通信。因此，本发明描述的是三种不需要额外带宽的物理层认证方案。这三种方案都是基于下行NOMA系统的物理层认证方案，分别是：用户共享认证标签的物理层认证方案(PLA-SAT)、用户使用独立认证标签的物理层认证方案(PLA-SIT)以及用户按时分复用使用认证标签的物理层认证方案(PLA-TDM)。在物理层认证中的主要分析指标是隐蔽性、鲁棒性和安全性。认证方案的隐蔽性描述的是对于旁观者来说身份验证是多么隐蔽，旁观者不应该检测到信号的异常也不应该检测到由于该方案而造成的自身性能的变化。鲁棒性描述的是认证对干扰的抵抗力。安全性描述的是对手无法发动成功的攻击。

发明内容

基于上述内容，在AmBC-NOMA通信系统中对NOMA用户进行物理层认证分析是本发明的关键。本发明主要分析了在三种物理层认证方案下NOMA用户的鲁棒性。本发明通过计算用户的虚警概率(PFA)以及检测概率(PD)进一步分析了系统的鲁棒性。

本发明采用的技术方案为：一种基于NOMA的环境背向散射通信系统的物理层认证方法，设定基于NOMA的AmBC通信网络中包括一个基站S，一个背向散射设备BD，两个NOMA用户：近端用户D_n和远端用户D_f以及一个窃听用户E；假设所有设备及用户均为半双工模式且所有节点均配置单天线。

本发明包括以下步骤：

基站S向两个NOMA用户发送叠加信号，信号发送的途径有两条，一条是直接传输，另一条是经过背向散射设备反射后到达NOMA用户；而窃听用户试图在这个过程中让用户拒绝真实的消息或者接受不真实的消息去中断身份验证过程。由于本发明考虑到了三种不同的物理层认证方案。

A1，在PLA-SAT方案下，S发送到BD及NOMA用户的信号有两种情况，一种是普通信号另一种是带标签的信号那么远端用户D_f接收到的信号分为两部分：