[论文解读] Mode Selection and Spectrum Partition for D2D Inband Communications: A Physical Layer Security Perspective

Yuanyu Zhang, Yulong Shen+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2018

Advanced Wireless Communication Techniques被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于带内D2D通信的联合模式选择与频谱分割框架，以优化物理层安全（PLS）性能。通过建立在概率性非占退/覆盖模式切换与正交频谱分配下的保密中断概率和保密容量模型，作者推导出闭式表达式，并确定了能最大化保密容量并最小化中断的最优配置，表明非占退D2D对可通过人工干扰提升安全性。

ABSTRACT

This paper investigates from the physical layer security (PLS) perspective the fundamental issues of mode selection and spectrum partition in cellular networks with inband device-to-device (D2D) communication. We consider a mode selection scheme allowing each D2D pair to probabilistically switch between the underlay and overlay modes, and also a spectrum partition scheme where the system spectrum is orthogonally partitioned between cellular and overlay D2D communications. We first develop a general theoretical framework to model both the secrecy outage/secrecy capacity performance of cellular users and outage/capacity performance of D2D pairs, and to conduct performance optimization to identify the optimal mode selection and spectrum partition for secrecy capacity maximization and secrecy outage probability minimization. A case study is then provided to demonstrate the application of our theoretical framework for performance modeling and optimization, and also to illustrate the impacts of mode selection and spectrum partition on the PLS performances of inband D2D communications.

研究动机与目标

• 为解决从物理层安全（PLS）视角出发，带内D2D系统中模式选择与频谱分割联合优化的缺失问题。
• 对在混合非占退/覆盖工作模式下，蜂窝用户（CUEs）与D2D对的保密中断概率和保密容量进行建模与优化。
• 研究作为友好干扰源的非占退D2D对如何通过引入有益干扰来提升PLS性能。
• 推导出一个通用的理论框架，以实现保密容量最大化与保密中断最小化的性能优化。
• 通过案例研究展示模式选择与频谱分割对PLS性能的影响。

提出的方法

• 提出一种概率性模式选择方案，其中每个D2D对根据切换概率随机选择非占退或覆盖模式。
• 引入一种正交频谱分配方案，将系统带宽在蜂窝用户与覆盖D2D对之间进行正交分配。
• 基于随机几何与顺序统计，构建理论框架，用于建模蜂窝用户（CUEs）的保密中断概率与保密容量，以及D2D对的中断概率与容量。
• 通过在随机信道增益与干扰分布上的期望计算，推导出保密中断概率与保密容量的闭式表达式。
• 通过联合调节模式选择概率与频谱分配比例，对系统进行优化，以最大化保密容量并最小化保密中断。
• 将该框架应用于案例研究，评估系统参数对PLS性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非占退与覆盖D2D模式之间采用概率性模式选择，如何影响蜂窝用户的物理层安全性能？
• RQ2 在蜂窝通信与覆盖D2D通信之间，何种最优频谱分配比例可实现保密容量最大化？
• RQ3 作为友好干扰源的非占退D2D对密度如何影响蜂窝链路的保密中断概率？
• RQ4 在联合模式选择与频谱分割下，可靠D2D通信与安全蜂窝传输之间存在何种权衡？
• RQ5 如发射功率与路径损耗等系统参数如何影响保密性能的最优配置？

主要发现

• 以闭式推导出最优模式选择概率与频谱分配比例，表明非占退D2D对通过作为友好干扰源可显著提升保密容量。
• 当保密速率需求较高时，最优策略倾向于采用覆盖D2D通信，并分配更高比例的频谱以确保D2D链路的可靠性。
• 对于低保密速率需求，优先选择非占退D2D对，因其可通过人工干扰有效恶化窃听者信道。
• 随着非占退D2D对密度的增加，保密中断概率降低，证实了非占退D2D在提升PLS方面具有干扰增益。
• 最优配置取决于保密容量与D2D可靠性权重之间的权衡，其解随系统约束与信道条件而变化。
• 通过案例研究验证了保密中断与保密容量的推导表达式，结果与仿真高度一致。