大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)物理層安全性能研究

頡滿剛，賈向東,2，周 猛

(1. 西北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 南京郵電大學(xué) 江蘇省無(wú)線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210003)

大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)物理層安全性能研究

頡滿剛1，賈向東1,2，周 猛1

(1. 西北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 南京郵電大學(xué) 江蘇省無(wú)線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210003)

隨著量子計(jì)算機(jī)等計(jì)算設(shè)備的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的加密技術(shù)正面臨著挑戰(zhàn)；由于物理層安全充分利用了無(wú)線信道的特性，其被認(rèn)為是一種有效的解決方案。為此，提出了一種安全的混合網(wǎng)絡(luò)模型，其中，端到端(device-to-device, D2D)網(wǎng)絡(luò)覆蓋于大規(guī)模多入多出(multiple-input multiple-output，MIMO)宏蜂窩之上，被動(dòng)的惡意竊聽(tīng)者(eavesdropper，Eve)能夠竊聽(tīng)所有的無(wú)線信道；同時(shí)，為了提高能量效率，D2D發(fā)射機(jī)不僅可以從專(zhuān)用的PB(power beacon)收集能量，還可以從附近的射頻干擾信號(hào)中收集能量。對(duì)此混合網(wǎng)絡(luò)模型，假設(shè)所有網(wǎng)絡(luò)元素的位置都服從獨(dú)立泊松點(diǎn)過(guò)程，利用隨機(jī)幾何，得到了任一D2D發(fā)射機(jī)采集足夠能量的概率；基于此概率，獲得了蜂窩網(wǎng)用戶(hù)和D2D用戶(hù)的各態(tài)歷經(jīng)速率和安全中斷概率。結(jié)果表明，由于D2D發(fā)射機(jī)可以從周?chē)纳漕l干擾信號(hào)中采集能量，系統(tǒng)的能量效率得到顯著提升，同時(shí)將專(zhuān)用PB的信號(hào)視作一種人工噪聲，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

大規(guī)模MIMO；D2D；蜂窩網(wǎng)；能量收集；物理層安全；人工噪聲

0 引 言

在過(guò)去幾年里，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)[1]，使得當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無(wú)法滿足飛速增長(zhǎng)的用戶(hù)需求。為此，業(yè)界加快了5G的研究步伐。未來(lái)的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是一種隨時(shí)隨地、萬(wàn)物互聯(lián)的泛在網(wǎng)絡(luò)，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括：端到端通信(device-to-device，D2D)，大規(guī)模多入多出(multiple-input multiple-output，MIMO)，全雙工技術(shù)，超密集網(wǎng)絡(luò)等。

大規(guī)模MIMO是一種多用戶(hù)MIMO技術(shù)，基站(base station，BS)配備了幾百對(duì)天線，能夠同時(shí)為同一時(shí)頻資源的幾十個(gè)單天線用戶(hù)終端(user equipment，UE)服務(wù)。隨著基站天線數(shù)量的增加，系統(tǒng)自由度增大，能滿足更多的用戶(hù)需求，提高系統(tǒng)頻譜效率和能量效率[2]。D2D通信則是一種允許終端之間通過(guò)復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信的新型技術(shù)，它能夠增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，在一定程度上解決無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問(wèn)題。蜂窩移動(dòng)通信是采用蜂窩無(wú)線組網(wǎng)方式，在終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過(guò)無(wú)線通道連接起來(lái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在活動(dòng)中可相互通信。其主要特征是終端的移動(dòng)性，并具有越區(qū)切換和跨本地網(wǎng)自動(dòng)漫游功能。

由于大規(guī)模MIMO，D2D和蜂窩網(wǎng)的眾多優(yōu)點(diǎn)，三者結(jié)合可以有效地發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[3]研究了單層蜂窩小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的情況，文獻(xiàn)[4]研究了包括D2D UE在內(nèi)的所有UE和BS之間的信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)的最佳性能至關(guān)重要。文獻(xiàn)[5]和[6]研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的上行鏈路，利用D2D Underlay的通信模型，文獻(xiàn)[7]主要研究了下行鏈路。

在大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)絡(luò)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，物理層安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)上的安全是通過(guò)在應(yīng)用層加密編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而，由于量子計(jì)算機(jī)等智能計(jì)算設(shè)備的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的編碼加密技術(shù)的安全性受到巨大的威脅[8]。從信息論的角度來(lái)看，系統(tǒng)的安全可以利用信道特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，如：衰落、噪聲和干擾，即物理層安全。即使竊聽(tīng)者(eavesdropper，Eve)擁有很強(qiáng)的計(jì)算能力[9-12]，如果合法用戶(hù)比Eve擁有更好的信道狀態(tài)，發(fā)射機(jī)將能保證以正常的數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)安全通信。一種典型的提高安全性的方法是在發(fā)射機(jī)加入人工噪聲(artificial noise，AN)，以此來(lái)削弱Eve的信號(hào)，AN的加入影響了Eve的信號(hào)與干擾加噪聲比(signal to interference-plus-noise-ratio，SINR)，而對(duì)于合法用戶(hù)并不產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[13-15]提出了在發(fā)射機(jī)加入AN的安全機(jī)制方案，考慮PB的無(wú)線能量傳輸方案，PB對(duì)所有可以進(jìn)行能量采集的UE發(fā)送一條消息，接收端UE知道其消息內(nèi)容，而Eve并不知道，在這種情況下它仍可以作為一種AN，由此削弱了Eve接收到的SINR，系統(tǒng)的安全中斷概率提高。此外，由于無(wú)線傳輸?shù)膹V播特性，來(lái)自PB的信號(hào)不僅可以作為蜂窩網(wǎng)用戶(hù)(cellular user，CU)的AN，也可以作為D2D用戶(hù)(D2D user，DU)的AN，CU和DU安全性能同時(shí)提高。

受上述文獻(xiàn)啟發(fā)，本文主要研究了大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)的安全性能，分別得到了CU和DU的各態(tài)歷經(jīng)速率和安全中斷概率近似表達(dá)式。分析和數(shù)值結(jié)果表明，在CU和DU中，將PB發(fā)射的信號(hào)作為一種AN，能夠有效提高系統(tǒng)的安全性能。

1 網(wǎng)絡(luò)模型及信道假設(shè)

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

如圖1所示，大規(guī)模MIMO蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)由CU，DU，Eve以及BS和PB構(gòu)成。在該混合網(wǎng)絡(luò)中，D2D網(wǎng)絡(luò)覆蓋于B個(gè)宏蜂窩之上，與宏蜂窩共享無(wú)線頻譜資源。其中，宏蜂窩基站配備了大規(guī)模MIMO天線陣列，天線數(shù)為MC，安全區(qū)域半徑為RG；每個(gè)基站都位于正六邊形的中間，為了方便處理，我們將其近似看作半徑為R的圓。在每個(gè)蜂窩小區(qū)中，基站與Nb個(gè)CU進(jìn)行通信，其中b=1,2,…,B。每個(gè)CU以固定功率PCU發(fā)送信號(hào)到基站。D2D為能量約束終端，為了保證D2D的正常通信，D2D終端不僅可以從附近CU的射頻信號(hào)中收集能量，而且可以從PB的射頻信號(hào)中收集能量。文中假設(shè)PB配備了傳統(tǒng)MIMO天線，天線數(shù)為MPB，且滿足MPB≤MC，每個(gè)PB的發(fā)送功率為PPB。此外，蜂窩網(wǎng)和D2D的通信受惡意Eve竊聽(tīng)，且Eve只對(duì)信號(hào)進(jìn)行竊聽(tīng)和攔截，而不對(duì)其進(jìn)行篡改。D2D發(fā)射機(jī)利用反功率控制方案，D2D接收機(jī)敏感度為ρD。特別地，為了方便分析，假設(shè)D2D發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的最大距離是d0。

圖1 D2D與蜂窩混合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型Fig.1 System model of D2D underlaying cellular networks

1.2 信道假設(shè)

2 D2D發(fā)射機(jī)收集能量

基于上述網(wǎng)絡(luò)模型和信道假設(shè)，D2D發(fā)射機(jī)不僅可以從專(zhuān)用的PB收集能量，而且還可以從CU附近的RF干擾中收集能量。因此，D2D發(fā)射機(jī)(蜂窩小區(qū)1中第f個(gè)D2D用戶(hù))收集的總能量表示為

(1)

(1)式中：μD=λDπR2是每個(gè)蜂窩小區(qū)中平均D2D用戶(hù)對(duì)數(shù)；μBb是蜂窩小區(qū)b中PB的總數(shù)量；Nb表示第b個(gè)小區(qū)中蜂窩網(wǎng)用戶(hù)數(shù)。同時(shí)，(1)式中αC是蜂窩網(wǎng)傳輸?shù)穆窂綋p失指數(shù)，且滿足2≤αC≤6。由于PB配備了MPB個(gè)天線，且利用ZF下行鏈路預(yù)編碼，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)D2D發(fā)射機(jī)的無(wú)線能量補(bǔ)充。因此，對(duì)于蜂窩小區(qū)b中的第l個(gè)PB，其下行鏈路預(yù)編碼矩陣可以表示為

(2)

(3)

將(1)式代入(3)式得到定理1。

定理1 在大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)D2D網(wǎng)絡(luò)采用反功率控制方案時(shí)，D2D發(fā)射機(jī)在半徑為d0的圓形區(qū)域內(nèi)采集足夠能量的概率下界為

(4)

(4)式中：

(5)

(6)

3 蜂窩網(wǎng)傳輸?shù)陌踩阅芊治?/h2>

各態(tài)歷經(jīng)速率和安全中斷概率是系統(tǒng)安全性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)[14-16]，目標(biāo)蜂窩小區(qū)1中第k個(gè)CU(或DU)的可實(shí)現(xiàn)各態(tài)歷經(jīng)安全速率為

(7)

(8)

3.1 蜂窩網(wǎng)用戶(hù)的各態(tài)歷經(jīng)速率

(9)

(9)式中：PDU是D2D發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率;n1∈MC×1是BS的噪音矢量。我們注意到，在(9)式中，來(lái)自于PB的干擾被忽略了，這是因?yàn)樵谒岱桨钢校僭O(shè)BS和D2D接收機(jī)預(yù)先已知PB發(fā)射的信號(hào)，在最佳CSI情形下，接收機(jī)能夠通過(guò)干擾消除技術(shù)消除來(lái)自PB的干擾。BS采用線性ZF接收機(jī)，ZF解碼之后接收到的信號(hào)矢量為

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

類(lèi)似地，根據(jù)反功率控制方案，(16)式中I2可以表示為

(18)

(19)

結(jié)合(14)-(19)式，我們得到定理2。

定理2 在大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)在PB端配置了ZF檢測(cè)接收機(jī)時(shí)，小區(qū)1中第k個(gè)蜂窩網(wǎng)用戶(hù)上行鏈路的可實(shí)現(xiàn)各態(tài)歷經(jīng)速率可以近似地表示為

(20)

3.2 蜂窩網(wǎng)傳輸?shù)陌踩袛喔怕?/p>

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

結(jié)合以上結(jié)論，我們得到定理3。

定理3 在大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，惡意竊聽(tīng)者竊聽(tīng)所有的蜂窩網(wǎng)鏈路，目標(biāo)蜂窩小區(qū)1中第k個(gè)蜂窩用戶(hù)傳輸?shù)陌踩袛喔怕士梢员硎緸?/p>

(26)

(27)

(27)式中：

(28)

(29)

(30)

4 D2D傳輸?shù)陌踩阅芊治?/h2>

上一節(jié)主要研究了蜂窩網(wǎng)傳輸?shù)陌踩阅?。在本?jié)，主要研究混合網(wǎng)絡(luò)模型下D2D傳輸?shù)目蓪?shí)現(xiàn)各態(tài)歷經(jīng)速率和安全中斷概率。

4.1D2D傳輸?shù)母鲬B(tài)歷經(jīng)速率

如圖1所示，考慮了一個(gè)典型的D2D用戶(hù)對(duì)(蜂窩小區(qū)1中第k對(duì)D2D用戶(hù))，D2D接收機(jī)接收到的信號(hào)可以表示為

(31)

(32)

定理4 在大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，D2D發(fā)射機(jī)采用反功率控制方案，對(duì)于一條典型的D2D通信鏈路，可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)速率可以表示為

(33)

(34)

(35)

4.2D2D傳輸?shù)陌踩袛喔怕?/p>

對(duì)于蜂窩小區(qū)1中的第k對(duì)D2D用戶(hù)，根據(jù)最大SINR策略，最?lèi)阂獾腅ve接收到的等價(jià)SINR可以表示為

(36)

(37)

結(jié)合(8)式，我們得到定理5。

定理5 在大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，惡意竊聽(tīng)者竊聽(tīng)D2D通信鏈路，并且D2D發(fā)射機(jī)采用反功率控制方案，蜂窩小區(qū)1中的第k條D2D鏈路的安全中斷概率可以表示為

(38)

(39)

(39)式中：

(40)

(41)

(42)

5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)前面得到的數(shù)值結(jié)果，利用MATLAB工具，分別對(duì)蜂窩網(wǎng)和D2D的安全性能進(jìn)行了數(shù)值分析?？紤]蜂窩網(wǎng)上行鏈路傳輸，其中蜂窩小區(qū)半徑R=1 km，BS安全半徑RG=0.01 km。D2D和蜂窩網(wǎng)用戶(hù)共享時(shí)頻資源，載波頻率為2 GHz，帶寬為10 MHz。CU和DU的路徑損失指數(shù)分別為αC=4和αD=3，PB鏈路的路徑損失參數(shù)和CU的路徑損失參數(shù)相同。CU，DU，PB以及Eve的位置都服從獨(dú)立泊松點(diǎn)過(guò)程，其強(qiáng)度分別為λC=5UC/Km2，λD=1DU/Km2，λPB=1PB/Km2和λE=1Eve/Km2。所有的小規(guī)模衰落的鏈路增益都服從單位方差的瑞利衰落。D2D發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的最大干擾距離d0=10 m，D2D接收機(jī)敏感度ρD=-70 dBm。大規(guī)模MIMO中BS的天線數(shù)量為MC=1 000，PB的天線數(shù)量為MPB=20。BS和PB均利用了ZF方案。

圖2a是一個(gè)典型CU的各態(tài)歷經(jīng)速率在不同λC下與λPB的關(guān)系。PB發(fā)射的信號(hào)預(yù)先被CU和DU的接收機(jī)知道的，因此PB沒(méi)有直接影響蜂窩網(wǎng)和D2D用戶(hù)，D2D發(fā)射機(jī)采集足夠能量的概率主要依靠λPB，CU可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)的速率同樣也依靠λPB。如圖2a所示，當(dāng)λPB相當(dāng)小，各態(tài)歷經(jīng)速率隨著λPB減?。划?dāng)λPB較大時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)速率趨近于相應(yīng)的常數(shù)而與λPB無(wú)關(guān)。原因是當(dāng)λPB較小時(shí)，激活的D2D發(fā)射機(jī)的數(shù)量隨著λPB增加而增加，因此，來(lái)自于D2D用戶(hù)的干擾增加，可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)速率減少。當(dāng)密度λPB較大時(shí)，采集足夠能量的概率近似等于1，所有的可用D2D發(fā)射機(jī)被激活，CU的可實(shí)現(xiàn)各態(tài)歷經(jīng)的速率為常數(shù)。此外，由于來(lái)自CU的干擾隨著λC的增加而增加，所以，可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)的速率隨著λC減小。在圖2b中，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)BS的天線數(shù)量MC相對(duì)小時(shí)，MC的增加將會(huì)引起可實(shí)現(xiàn)各態(tài)歷經(jīng)速率的增加。然而，當(dāng)MC足夠大，影響被限制。同時(shí)，從圖2b中可以發(fā)現(xiàn)λD對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖3研究了CU的安全中斷概率。圖3a呈現(xiàn)了安全中斷概率與λPB和λE的關(guān)系，圖3b則給出了安全中斷概率與λC和的λE關(guān)系。觀察圖3a和圖3b，發(fā)現(xiàn)安全中斷概率隨著λE的增加而增加，這是由于隨著λE的增加，蜂窩網(wǎng)鏈路暴露給更多的Eve，系統(tǒng)的安全性降低。圖3a表明利用PB能夠極大地提高系統(tǒng)的安全性。如前文所述，本文的一個(gè)主要貢獻(xiàn)就是利用了專(zhuān)用的PB，一方面，竊聽(tīng)者并不知道PB發(fā)射的信號(hào)，因此可以作為AN；另一方面，CU的接收機(jī)知道PB的干擾，可以通過(guò)干擾取消技術(shù)進(jìn)行干擾消除。結(jié)果，PB的利用提高了CU的安全性。在圖3b中，我們研究了λC和λE對(duì)CU安全中斷概率的影響。由于干擾的增加，CU的安全中斷性能隨著λC的增加而增加。

圖2 CU的可實(shí)現(xiàn)各態(tài)歷經(jīng)速率Fig.2 Achievable ergodic rate of a typical CU

圖4研究了D2D通信的各態(tài)歷經(jīng)速率。圖4a是一個(gè)典型DU的可實(shí)現(xiàn)速率與λPB和λC的關(guān)系。觀察可以發(fā)現(xiàn)，λPB的增大導(dǎo)致RDU的減小，當(dāng)λPB足夠大時(shí)，λPB對(duì)RDU的影響變小，數(shù)據(jù)率RDU近似為一個(gè)常數(shù)，這是因?yàn)楫?dāng)λPB較大時(shí)，采集足夠能量的概率近似為1。由于D2D接收機(jī)知道PB的信號(hào)，因此，可以有效地消除PB對(duì)D2D接收機(jī)的干擾。另一方面，當(dāng)λC較大時(shí)，采集足夠能量的概率PD-Suf近似為1，CU對(duì)D2D接收機(jī)的干擾隨著λC的增加而增加，SINR減小。結(jié)果，即使λC比較大，可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)數(shù)據(jù)率依然隨著λC減小。圖4b表明DU可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)速率隨著d0的增加而增加，d0是D2D發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的參考距離。由于D2D發(fā)射機(jī)采用反功率控制方案，d0的增加會(huì)引起D2D發(fā)射機(jī)和接收機(jī)干擾增加，因此，可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)速率隨著d0的增加而降低。

圖3 CU的安全中斷概率Fig.3 Secrecy outage probability of a typical cellular user

圖5是一個(gè)典型D2D傳輸?shù)陌踩袛喔怕?，其表明λE的增大將會(huì)導(dǎo)致安全中斷概率增大。圖5a給出了λE和λPB對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響，觀察發(fā)現(xiàn)，λPB的增大將會(huì)提高系統(tǒng)的安全中斷性能。結(jié)合圖4a和圖4b，很容易發(fā)現(xiàn)在我們提出的方案中，PB不僅能夠提高D2D鏈路的可實(shí)現(xiàn)各態(tài)歷經(jīng)速率，而且能夠降低安全中斷概率，主要是由于我們將PB的信號(hào)作為一個(gè)AN，利用PB取得了一舉兩得的效果。同時(shí)，利用CU的干擾，能夠提高系統(tǒng)的能量效率。圖5b給出了λE和λC對(duì)系統(tǒng)中斷概率的聯(lián)合影響。

圖4 DU的可實(shí)現(xiàn)的各態(tài)歷經(jīng)速率RDUFig.4 Achievable ergodic rate RDU of a typical D2D user

圖5 D2D傳輸?shù)陌踩袛喔怕蔉ig.5 Secrecy outage probability of a typical D2D transmission

6 結(jié)束語(yǔ)

在大規(guī)模MIMO蜂窩網(wǎng)與D2D混合網(wǎng)模型中，D2D終端不僅可以從蜂窩網(wǎng)用戶(hù)附近的射頻干擾中收集能量，而且可以從專(zhuān)用PB發(fā)射的信號(hào)中收集能量，系統(tǒng)的能量效率極大提高。此外，D2D和蜂窩網(wǎng)用戶(hù)預(yù)先已知PB的發(fā)射信號(hào)，而竊聽(tīng)者并不知曉，因此可以將PB發(fā)射的信號(hào)視作一種人工噪聲，極大地提高了蜂窩網(wǎng)和D2D通信的安全性能。

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(編輯：張 誠(chéng))

Study on physical layer security of hybrid networks with massive MIMO cellular and device-to-device networks

XIE Mangang1， JIA Xiangdong1,2， ZHOU Meng1

(1. College of Computer Science and Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070,P.R.China; 2. Wireless Communication Key Lab of Jiangsu Province, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, P.R.China)

Along with the rapid development of computing devices such as quantum computers, the secrecy provided by the traditional encryption technique is being threatened. However, due to the physical layer secrecy exploiting the channel characters effectively, it is viewed as a promising solution. With this consideration, a secure hybrid network is proposed where the massive multiple-input multiple-output (MIMO) macro cells are overlaid by device-to-device (D2D) networks. All of the wireless channels are exposed to malicious eavesdroppers (Eves). At the same time, to improve the energy efficiency, the battery-free D2D transmitters harvest the energy from not only the dedicated power beacon (PB), but also the ambient radio frequency (RF) interference. For the proposed hybrid networks, by modeling the position of all network elements as independent Poisson point processes and using stochastic geometry, the sufficient probability that a typical D2D transmitter harvests enough energy is achieved. Then, with the derived sufficient probability, the ergodic rates and secrecy outage probability of cellular user and D2D user links are obtained, respectively. The results display that the proposed hybrid network achieves the performance improvement due to exploiting the ambient interference, and has high security due to the equipment of the dedicated PB, of which the signal can be regarded as an artificial noise.

massive MIMO; D2D; cellular network; energy harvest; physical layer security; artificial noise

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.01.004

2016-07-09

2016-10-21 通訊作者：賈向東 jiaxd@nwnu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(61261015，61561043)；2014年甘肅省屬普通高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China (61261015，61561043)；The Fundamental Research Special Fund for 2014 Gansu Provincial Colleges and Universities

TN929.5

A

1673-825X(2017)01-0019-10

頡滿剛(1990-)，男，甘肅渭源人，碩士研究生，研究方向?yàn)?G技術(shù)、D2D、異構(gòu)網(wǎng)、綠色通信等。E-mail:2015211295@nwnu.edu.cn

賈向東(1971-)，男，甘肅渭源人，副教授，博士、博士后，甘肅省杰出青年基金獲得者。主持、參與多項(xiàng)包括國(guó)家自然科學(xué)基金在內(nèi)的國(guó)家、省( 部) 級(jí)項(xiàng)目，在SCI、EI 和國(guó)內(nèi)外等核心學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文70 余篇。研究方向?yàn)橐苿?dòng)與無(wú)線通信關(guān)鍵理論與技術(shù)，主要包括下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、5G 技術(shù)、協(xié)作通信、壓縮感知協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)編碼、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。E-mail:jiaxd@nwnu.edu.cn

周 猛(1990-)，男，河南滑縣人，碩士研究生， 主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模MIMO技術(shù)。E-mail: 494631191@qq.com