[論文レビュー] Secure Communications in NOMA System: Subcarrier Assignment and Power Allocation

Haijun Zhang, Ning Yang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、盗聴者を伴う物理層セキュリティを強化するため、協調ジャミング（CJ）を用いたセキュアな非直交多重アクセス（NOMA）双方向リレーネットワークにおける、共同サブキャリア割り当ておよび電力割り当て（SSPA）方式を提案する。サブキャリア割り当てを多数対多数マッチングゲームとしてモデル化し、凸幾何プログラミングを用いて電力割り当てを最適化することで、SSPA-2方式はRA-NOMAおよびSSPA-1と比較して、特に高い干渉およびノイズ条件下で顕著に高い秘密エネルギー効率を達成する。

ABSTRACT

Secure communication is a promising technology for wireless networks because it ensures secure transmission of information. In this paper, we investigate the joint subcarrier (SC) assignment and power allocation problem for non-orthogonal multiple access (NOMA) amplify-and-forward two-way relay wireless networks, in the presence of eavesdroppers. By exploiting cooperative jamming (CJ) to enhance the security of the communication link, we aim to maximize the achievable secrecy energy efficiency by jointly designing the SC assignment, user pair scheduling and power allocation. Assuming the perfect knowledge of the channel state information (CSI) at the relay station, we propose a low-complexity subcarrier assignment scheme (SCAS-1), which is equivalent to many-to-many matching games, and then SCAS-2 is formulated as a secrecy energy efficiency maximization problem. The secure power allocation problem is modeled as a convex geometric programming problem, and then solved by interior point methods. Simulation results demonstrate that the effectiveness of the proposed SSPA algorithms under scenarios of using and not using CJ, respectively.

研究の動機と目的

• 盗聴者が存在するNOMA双方向リレーネットワークにおける、セキュアなリソース割り当ての不足に対処する。
• 電力制約および不完全なチャネル状態情報のもとで、秘密エネルギー効率を最大化する。
• 盗聴者を混乱させるために協調ジャミング（CJ）を統合し、物理層セキュリティを強化する。
• システム性能を共同最適化する低複雑性のサブキャリア割り当ておよび電力割り当て方式を開発する。
• 各ユーザーペアに対して正の秘密レートを保証するとともに、盗聴者への干渉および漏洩を最小限に抑える。

提案手法

• 複数対複数マッチングゲーム（SCAS-1）としてサブキャリア割り当てを定式化し、複雑さを低減する。
• SSCA-2を、電力制約およびユーザーペア制約のもとでの秘密エネルギー効率最大化問題として提案する。
• セキュアな電力割り当てを凸幾何プログラミング問題としてモデル化し、最適な電力分配を実現する。
• 内点法を適用して凸最適化問題を効率的に解く。
• リレーステーション（RS）で人工ノイズ生成を統合し、協調ジャミングによりセキュリティを強化する。
• 同じサブキャリア上で複数ユーザをデコードするため、受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMA双方向リレーネットワークにおける、サブキャリア割り当てと電力割り当てを共同最適化することで、秘密エネルギー効率を最大にする方法は何か？
• RQ2 盗聴者が存在するNOMAシステムにおいて、協調ジャミングが秘密性能およびエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ3 ユーザ数およびサブキャリア数の増加に伴い、サブキャリア割り当ての複雑さはどのように変化するか？
• RQ4 回路電力またはノイズ分散の増加が、提案手法の秘密エネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ5 変動するチャネル条件のもとで、SSPA-2はSSPA-1およびRA-NOMAに比べてどの程度の性能向上を達成するか？

主な発見

• SSPA-2方式は、特に高干渉および高ノイズ条件下で、SSPA-1およびRA-NOMAと比較して顕著に高い秘密エネルギー効率を達成する。
• 信号対ノイズ比（P_Am/σ²）が上昇するにつれて秘密エネルギー効率は上昇するが、その割合は減少し、155 dBを超えると性能が安定化する。
• サブキャリアあたりの回路電力消費は、秘密エネルギー効率に悪影響を及ぼす。回路電力が高くなると、送信エネルギーが減少するためである。
• ノイズ分散（σ²）は、秘密エネルギー効率に強く悪影響を及ぼす。σ²が -90 dBmを超えると、性能は急激に低下する。
• サブキャリア数（N）やユーザーペア数の増加により、秘密エネルギー効率が向上する。これは、より高いダイバーシティゲインおよびリソース割り当ての柔軟性のおかげである。
• 提案されたSSPA-2アルゴリズムは10回未満の反復で収束し、高速収束性および低計算複雑性を示している。