[論文レビュー] Energy-Efficient Resource Allocation for Secure NOMA-Enabled Mobile Edge Computing Networks

Wei Wu, Fuhui Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、計算オフロード、電力割り当て、機密性制約を統合的に最適化することで、セキュアなNOMA対応モバイルエッジコンピューティング（MEC）ネットワーク向けにエネルギー効率の高いリソース割り当てフレームワークを提案する。重み付き合計エネルギー最小化のための半閉形式解と、機密性アウトージー確率最小化のための閉形式式を導出しており、現実的な盗聴状況下でも、エネルギー効率およびセキュリティ面でベンチマーク手法を上回る優れた性能を示している。

ABSTRACT

Mobile edge computing (MEC) has been envisaged as a promising technique in the next-generation wireless networks. In order to improve the security of computation tasks offloading and enhance user connectivity, physical layer security and non-orthogonal multiple access (NOMA) are studied in MEC-aware networks. The secrecy outage probability is adopted to measure the secrecy performance of computation offloading by considering a practically passive eavesdropping scenario. The weighted sum-energy consumption minimization problem is firstly investigated subject to the secrecy offloading rate constraints, the computation latency constraints and the secrecy outage probability constraints. The semi-closed form expression for the optimal solution is derived. We then investigate the secrecy outage probability minimization problem by taking the priority of two users into account, and characterize the optimal secrecy offloading rates and power allocations with closed-form expressions. Numerical results demonstrate that the performance of our proposed design are better than those of the alternative benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 5Gネットワークにおける多数のデバイス接続を伴う、エネルギー制約と遅延に敏感なモバイルエッジコンピューティングの課題に対処すること。
• 受動的盗聴者をモデル化し、機密性アウトージー確率を性能指標として用いることで、MECにおける物理層セキュリティを強化すること。
• 機密性、遅延、エネルギー消費の制約下で、通信および計算リソース割り当てを統合的に最適化すること。
• 機密性および遅延要件を満たしつつ、重み付き合計エネルギー消費を最小化する最適な電力割り当ておよびオフロード戦略を導出すること。

提案手法

• 機密性オフロードレート、計算遅延、機密性アウトージー確率の制約下で、重み付き合計エネルギー最小化問題を定式化する。
• ラグランジュ双対性およびKKT条件を用いて、最適な電力およびオフロード割り当ての半閉形式解を導出する。
• ユーザー優先度を考慮した機密性アウトージー確率最小化問題を導入し、最適レートおよび電力割り当ての閉形式式を導出する。
• 盗聴者のチャネルを、既知のパスロスを伴うRayleigh fadingとしてモデル化し、指数分布関数を用いて機密性アウトージー確率を計算する。
• NOMA上行リンク伝送において、チャネル状態に応じて信号を強さ順に復調するための逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用する。
• 提案手法とOMAベースおよびベンチマークNOMA方式を比較した数値結果を通じて、理論的枠組みの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機密性および遅延制約下で、NOMA対応MECネットワークにおけるエネルギー効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 機密性を確保しつつ、重み付き合計エネルギー消費を最小化する最適な電力および計算オフロード割り当て戦略は何か？
• RQ3 ユーザー優先度が機密性アウトージー確率に与える影響は何か？また、このような制約下での最適割り当ては何か？
• RQ4 NOMA-MEC環境下で、送信電力を増加させると、セカンダリユーザーの機密性パフォーマンスにどのような影響を与えるか？
• RQ5 提案されたNOMA-MEC方式は、OMAベースのMECと比較して、エネルギー効率およびセキュリティ面でどのように異なるか？

主な発見

• エネルギー予算が低い場合（例：E < 0.45 J）、提案手法は安全なOMA-MECオフロードをエネルギー効率面で上回る。
• より高いエネルギー予算（例：E > 0.45 J）では、プライマリユーザーによる干渉が増加することでセカンダリユーザーの機密性アウトージー性能が低下するが、大多数のシナリオでOMAを上回る性能を示す。
• ユーザー優先度を考慮した機密性制約の最適化により、電力およびオフロードレートの閉形式式を用いて機密性アウトージー確率を最小化できる。
• 重み付き合計エネルギー最小化のための導出された半閉形式解により、エネルギー効率とセキュリティの最適なトレードオフが確保される。
• 数値結果により理論的分析の正しさが確認され、提案手法がエネルギー効率および機密性パフォーマンスの両面で優れていることが示された。