《Digital Signal Processing》：Enhancing Secrecy Performance in Multi-User Multi-Antenna Systems Using Rate-Splitting Multiple Access
编辑推荐：
多天线与速率分裂多址接入结合提升多用户无线系统保密性能，推导了保密outage概率与ergodic保密容量的闭式表达式，分析了天线数、功率分配、带宽及信道状态信息不完美对加密性能的影响。
Su Nguyen Quoc | Phan Van Tri | Ba Cao Nguyen | Bui Vu Minh | Nguyen Huu Khanh Nhan
越南胡志明市工业与贸易大学信息技术学院
摘要
本文提出在实际情况（包括不完美的连续干扰消除（SIC）和不完美的信道状态信息（CSI）下，使用多天线（MA）和速率分割多址接入（RSMA）来提高多用户（MU）无线系统的保密性能。文中推导出了公共消息和私有消息的保密中断概率（SOP）和遍历保密容量（ESC）的封闭形式和分析表达式，并通过广泛的蒙特卡洛仿真进行了验证。研究结果揭示了系统参数对保密性能的影响。特别是，当窃听者的估计误差较大时，不完美的CSI可以显著提高保密性，因为这限制了窃听者的解码能力。此外，增加发射天线的数量由于空间多样性的增强而显著提高了私有消息的SOP和ESC。然而，公共消息的ESC并不总是从额外的天线中受益；相反，超过某个值后，性能可能会因为信号泄漏或干扰增加而下降。此外，还详细研究了不完美的SIC、功率分配、带宽和操作频率对SOP和ESC的影响。研究结果强调了在考虑CSI不完美性的同时，联合使用关键系统参数（如发射功率、带宽、频率分配和天线配置）的重要性，以确保基于RSMA的通信的安全性和可靠性。
引言
最近，速率分割多址接入（RSMA）作为一种下一代多址接入策略，已成为第五代（B5G）及未来第六代（6G）无线网络的有力候选方案[1]。通过将每个用户的消息分为公共部分和私有部分，RSMA相比非正交多址接入（NOMA）和空间分割多址接入（SDMA）等传统方案，实现了更灵活和高效的干扰管理[2]。这种灵活性使RSMA能够适应各种用户部署和服务质量（QoS）要求，非常适合密集和异构的网络环境。除了在频谱效率和鲁棒性方面的优势外，RSMA在物理层安全性方面也具有显著优势。通过适当的功率分配和波束成形设计，RSMA可以有意地干扰窃听者的接收，同时保持合法用户的可靠通信[3]、[4]、[5]。因此，RSMA是在完美和不完美的信道状态信息（CSI）条件下提高无线通信系统保密性能的强大工具。
另一方面，多天线（MA）技术已成为现代无线通信的基石，在B5G和6G网络的发展中发挥着重要作用[6]。通过在收发器上配备多个天线，MA系统可以利用空间多样性和空间复用显著提高频谱效率、链路可靠性和用户容量[2]。在多用户（MU）场景中，MA技术实现了先进的波束成形和用户分离，允许与多个用户同时通信，同时有效管理用户间的干扰[7]、[8]、[9]。此外，MA系统通过实现定向信号传输和人工噪声生成，增强了物理层安全性，从而削弱潜在窃听者接收到的信号[10]、[11]。这种对信号传播的空间控制为在CSI不完美或存在强烈窃听威胁的情况下提高无线通信系统的保密性能提供了有前景的方法。
最近的进展表明，RSMA在各种场景下提高无线通信系统的保密性能方面具有巨大潜力[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。特别是[15]中的工作分析了采用混合模拟-数字预编码的毫米波（mmWave）多输入单输出（MISO）RSMA系统的保密中断概率（SOP），强调了RSMA在具有定向波束成形的高频环境中的鲁棒性。在[16]中，研究了在不完美的连续干扰消除（SIC）和窃听者信道状态信息（CSI）下的RSMA，揭示了解码和估计误差对SOP的负面影响。此外，[17]将RSMA扩展到安全通信系统中，以最小化动态空中网络中的信息泄漏。同时，[18]研究了在智能战术环境中，RSMA辅助的SHAPTINs在CSI不完美和信道估计误差下的保密性能。另外，[19]探讨了在同时遭受窃听和干扰攻击下的RSMA性能，提供了SOP和保密速率（SR）的封闭形式表达式，从而证明了RSMA在对抗条件下的韧性。尽管有这些宝贵的贡献，但仍存在一些研究空白。例如，尚未完全解决在CSI和SIC共同不完美的条件下，RSMA在一般多天线配置中的保密性能问题。
如上所述，确保物理层安全性已成为下一代无线网络的迫切要求，特别是在资源共享和用户异质性增加信息泄漏风险的多用户场景中。RSMA作为一种多址接入方案，因其能够灵活管理干扰并在不完美的信道条件下保持鲁棒性能而备受关注[20]、[21]。虽然最近的研究展示了RSMA在各种安全通信场景中的优势，但许多研究仅关注理想化条件或单一缺陷。例如，一些研究考虑了不完美的CSI[16]或信道估计误差[18]，但通常没有在统一框架内考虑多个实际限制的联合效应，如SIC误差、天线配置和CSI不完美。此外，大多数现有研究对这些缺陷如何影响公共和私有RSMA消息的保密性能关注有限，尤其是在多天线系统中。这些空白激发了对实际限制对安全RSMA基多用户通信的联合影响的深入研究。
为了解决这些限制，我们的工作研究了一个实际的多用户RSMA系统，该系统同时考虑了在实际部署中经常遇到的多天线、不完美的CSI和不完美的SIC因素。与通常仅评估单一消息类型的SOP或ESC或在理想假设下的现有研究不同，我们推导并分析了公共和私有RSMA消息的保密中断概率（SOP）和遍历保密容量（ESC）的封闭形式表达式[3]。我们的分析进一步通过研究关键系统参数（如功率分配、带宽、操作频率和发射天线数量）的影响而得到丰富。特别值得关注的是，在扩展天线阵列时，公共消息与私有消息的保密性能之间的权衡，这一见解在现有文献中很大程度上被忽视了。通过将理论分析与实际缺陷相结合，我们的工作为提高下一代无线系统中基于RSMA的安全通信提供了更深入的理解和更实用的设计指南。
本文的主要贡献总结如下：
- •
在一个考虑保密性的实际MU-MA-RSMA系统（称为MU-MA-RSMA-Sec系统）中进行了研究，该系统在包括不完美的SIC和CSI在内的现实约束下运行，这些因素在现有的RSMA保密研究中经常被忽略。该系统利用多天线来利用空间多样性，提高物理层安全的鲁棒性。
- •
在Nakagami-m衰落信道上推导出了公共和私有消息的SOP和ESC的封闭形式和分析表达式。通过适当设置参数m，这些结果可以推广到其他信道模型，如Rayleigh和Rician衰落。所有分析表达式都通过广泛的蒙特卡洛仿真得到了验证。
- •
数值结果提供了关于关键系统参数对保密性能影响的宝贵见解。具体来说，增加发射天线的数量可以提高私有消息的SOP和ESC，从而验证了分析框架；同时，一个新的观察结果是，由于干扰或信号泄漏，公共消息的ESC达到一个性能上限。此外，还全面分析了不完美的SIC、功率分配系数、带宽、操作频率和CSI不完美程度的影响。
- •
研究结果强调了安全RSMA通信的权衡和设计考虑。提供了选择天线配置、发射功率水平和速率分割策略的建议，以确保在实际条件下多用户网络中的强保密性能。
本文的其余部分组织如下。第2节描述了MU-MA-RSMA-Sec框架的系统模型，并概述了合法用户和窃听者的信号接收过程。第3节推导出了SOP和ESC的封闭形式表达式。第4节展示了数值结果和基于仿真的评估。最后，第5节总结了研究的关键发现。
为了便于阅读，本文中使用的所有关键数学符号列在表1中。
系统模型
系统模型
图1展示了一个考虑保密性的多用户多天线RSMA通信网络系统模型，称为MU-MA-RSMA-Sec系统。在此设置中，基站（BS）使用RSMA向K个合法用户发送信号，这些用户表示为
同时，窃听者（E）试图截获传输的信号。基站S配备了个发射天线，而每个合法用户和窃听者假设只有一个
性能分析
为了评估无线通信系统中物理层安全的可靠性和鲁棒性，必须量化机密信息受到窃听保护的程度。在这方面，通常分析两个基本性能指标：保密中断概率（SOP）和遍历保密容量（ESC）。SOP捕获了瞬时保密容量低于目标保密率的概率，这一点尤为重要
数值结果和讨论
为了证明所提出的MU-MA-RSMA-Sec系统的有效性，本节基于推导出的表达式对SOP和ESC进行了全面分析。使用MATLAB进行了10^6次信道实现的蒙特卡洛仿真，以验证分析结果的准确性。此外，还详细研究和讨论了关键系统参数对这些性能指标的影响。除非另有说明，否则仿真参数设置如下
结论
本文研究了在实际系统约束下，包括不完美的SIC和CSI的多用户多天线速率分割多址接入安全（MU-MA-RSMA-Sec）系统的保密性能。推导出了公共和私有消息的SOP和ESC的封闭形式和分析表达式，并通过蒙特卡洛仿真进行了验证。数值结果揭示了一些有用的见解。特别是，不完美的CSI被证明可以提高保密性
CRediT作者贡献声明
Su Nguyen Quoc：概念化、形式分析、撰写——原始草稿。
Phan Van Tri：调查、方法论、资源。
Ba Cao Nguyen：软件、验证。
Bui Vu Minh：可视化。
Nguyen Huu Khanh Nhan：撰写——审阅与编辑、项目管理、监督。
