基于协作NOMA系统的物理层安全性能研究
Research on Physical Layer Security Performance of Cooperative NOMA Systems
摘要: 针对协作非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)系统的物理层安全传输需求,本文提出一种基于解码转发(DF)与修改转发(MF)的自适应中继安全传输算法。首先构建包含发射端、中继节点、合法强弱用户及窃听者的协作NOMA系统模型,并推导信干噪比、保密容量及保密中断概率等关键性能指标的解析表达式。在此基础上,设计可根据实时信道状态动态切换转发模式的自适应策略,最终实现系统安全传输概率的最大化。仿真结果表明,相比传统正交多址接入系统与单一DF协议NOMA系统,所提自适应算法在全功率范围内实现了更低的保密中断概率;特别是在高发射功率(>25 dBm)阶段,该算法成功突破传统DF协议的安全容量瓶颈,使得安全传输概率持续攀升,有效提升了协作NOMA系统的物理层安全性能。
Abstract: To address the physical layer secure transmission requirements of cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) systems, this paper proposes an adaptive relay secure transmission algorithm based on decode-and-forward (DF) and modify-and-forward (MF) protocols. First, a cooperative NOMA system model comprising a transmitter, a relay node, legitimate strong and weak users, and an eavesdropper is established. Subsequently, analytical expressions for key performance metrics, including the signal-to-interference-plus-noise ratio, secrecy capacity, and secrecy outage probability, are derived. Building upon this, an adaptive strategy is designed to dynamically switch forwarding modes according to real-time channel state information, ultimately maximizing the secure transmission probability of the system. Simulation results demonstrate that, compared to traditional orthogonal multiple access systems and single DF-protocol NOMA systems, the proposed adaptive algorithm achieves a lower secrecy outage probability across the entire transmit power range. Particularly in the high transmit power regime (> 25 dBm), the algorithm successfully overcomes the secrecy capacity bottleneck inherent in traditional DF protocols, enabling a continuous increase in secure transmission probability and effectively enhancing the physical layer security performance of cooperative NOMA systems.
文章引用:刘家康, 王俊利, 马卓凡, 任薇, 张文博, 徐元丰, 朱大磊. 基于协作NOMA系统的物理层安全性能研究[J]. 无线通信, 2026, 16(3): 48-58. https://doi.org/10.12677/hjwc.2026.163005

参考文献

[1] 张延良, 田月华, 李兴旺, 等. 基于MF协议的协作NOMA系统物理层安全性能研究[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(4): 1211-1218.
[2] 王文学. 基于协作NOMA系统的中继选择及保密性能分析[D]: [硕士学位论文]. 西安: 西安电子科技大学, 2021.
[3] 黄开枝, 金梁, 钟州. 5G 物理层安全技术——以通信促安全[J]. 中兴通讯技术, 2019, 25(4): 43-49.
[4] 陈书平, 王文博, 张兴. 解码转发协同中继网络多用户分集[J]. 北京邮电大学学报, 2009, 32(1): 95-98+107.
[5] 王东, 李永成, 白铂, 等. 放大转发中继网络中绿色的物理层安全通信技术[J]. 电子与信息学报, 2016, 38(4): 841-847.
[6] 叶明珠, 李光球, 张旭, 等. 基于硬件损伤的修改转发协作NOMA系统的物理层安全[J]. 电信科学, 2025, 31(10): 123-132.
[7] 王浩, 李娟, 张敏. 非正交多址全双工中继网络中的人工干扰保密性分析[J]. 通信技术, 2025, 58(12): 2890-2898.
[8] 罗延翠, 李光球, 叶明珠, 高辉, 张亚娟. 中继选择NOMA无线系统的物理层安全[J]. 电信科学, 2024, 40(3): 116-127.
[9] Ali, K., Chafii, M. and Al-Dweik, A. (2024) Opportunistic Scheduling Scheme to Improve Physical-Layer Security in Cooperative NOMA System. IEEE Transactions on Communications, 72, 5845-5858.
[10] 张贞凯, 许姣, 田雨波. 多目标跟踪时的自适应功率分配算法[J]. 信号处理, 2017, 33(S1): 22-26.
[11] 王夕予, 许晓明, 陈亚军. 非理想连续干扰消除下非正交多址接入上行传输系统性能分析[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(12): 2795-2801.
[12] 毕奇, 梁林, 杨姗, 等. 面向 5G 的非正交多址接入技术[J]. 电信科学, 2024, 31(5): 14-21.
[13] 吴宣利, 许智聪, 王禹辰, 等. 基于信道相关性的物理层安全性能分析[J]. 通信学报, 2024, 42(3): 65-74.
[14] 丁青锋, 刘梦霞, 连义罛. 基于非理想CSI的全双工双向中继系统保密中断概率性能研究[J]. 计算机应用研究, 2020, 37(9): 2819-2821+2826.
[15] 孙立悦, 赵晓晖, 虢明. 基于中断概率的协作通信中继选择与功率分配算法[J]. 通信学报, 2013, 34(10): 84-91.
[16] 谭立新, 何艳丽. 多径衰落信道的统计特性与仿真研究[J]. 计算机仿真, 2010, 27(7): 96-98+129.
[17] 李伟, 严康, 耿静茹, 等. NGSO 通信星座系统间同频干扰场景与建模研究[J]. 天地一体化信息网络, 2024, 2(1): 20-27.
[18] 芮雄丽, 曹雪虹. 一种基于叠加编码的协作传输协议[J]. 计算机应用研究, 2020, 37(12): 3736-3738.