[論文レビュー] Secure Transmission to the Strong User with Optimal Power Allocation in NOMA

Youhong Feng, Shihao Yan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、弱ユーザーの最小レートを保証するとともに、盗聴者に対する秘匿アウトージェ確率（SOP）制約のもとで強いユーザーの秘匿レートを最大化する非直交多重アクセス（NOMA）システムにおける最適なパワー割り当てとリダンドンスレート設計を提案する。盗聴者の順次干渉キャンセレーション能力をチャネル品質に基づいて独自にモデル化し、弱ユーザーのレート要件が高くなるほどセキュリティコストが低下し、高パワー領域では等パワー割り当てが漸近的に最適になることが明らかになった。

ABSTRACT

With non-orthogonal multiple access(NOMA), we tackle the maximization of the secrecy rate for the strong user subject to a maximum allowable secrecy outage probability, while guaranteeing a constraint on the transmission rate to the weak user. For the first time, the dependence between the eavesdropper's ability to conduct successive interference cancellation and her channel quality is considered. We determine the optimal power allocation and the redundancy rate, based on which the cost of security in terms of the reduction in the strong user's secrecy rate is examined and the benefits of NOMA for secure transmissions are explicitly revealed.

研究の動機と目的

• 最大許容秘匿アウトージェ確率（SOP）の制約のもとでNOMAにおける強いユーザーの秘匿レートを最大化すること。
• 強いユーザーにおけるSICを可能にするために、弱ユーザーの最小伝送レートを保証すること。
• 盗聴者のチャネル品質に基づいて、順次干渉キャンセレーション能力をモデル化し、NOMAセキュリティにおいて画期的な考察を提供すること。
• 強いユーザーの秘匿レート低下という観点から、物理層セキュリティのコストを定量化すること。
• 特に高い秘匿要件下において、OMAに比べてNOMAがどのように優位性を示すかを明らかにすること。

提案手法

• SOPおよびレート制約の下で強いユーザーの秘匿レートを最大化する最適化問題を定式化する。
• 盗聴者のチャネル品質に依存して、弱ユーザーの信号をSICにより復調可能な能力を表すリダンドンスレートを導入する。
• 盗聴者の統計的チャネル状態情報（CSI）を用いて、最適パワー割り当ておよびリダンドンスレートの正確解と漸近解を導出する。
• 秘匿アウトージェ制約に起因する非凸最適化問題を解くためにラムゼット・W関数を適用する。
• 漸近解析を用いて、送信パワーが増加する際、等パワー割り当てが最適になることを示す。
• さまざまな送信パワーおよびサービス品質（QoS）設定下で数値シミュレーションにより結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者のチャネル品質は、NOMAシステムにおける順次干渉キャンセレーション能力にどのように影響するか？
• RQ2 秘匿アウトージェ確率制約のもとで、強いユーザーと弱いユーザー間の最適パワー割り当ては何か？
• RQ3 弱ユーザーの伝送レート要件が、強いユーザーの物理層セキュリティコストにどのように影響するか？
• RQ4 送信パワーが増加する際、最適パワー割り当ておよびリダンドンスレートの漸近的挙動はいかなるものか？
• RQ5 同じセキュリティおよびQoS制約下で、OMAと比較してNOMAの秘匿レート性能はどのように異なるか？

主な発見

• メインチャネル対盗聴者チャネル比（MER）が高い領域では、パワー割り当ての漸近的解が正確解をよく近似する。
• 物理層セキュリティのコスト（強いユーザーの秘匿レート低下）は、弱ユーザーのレート要件が高くなるほど低下する。
• 弱ユーザーのレート要件が低い場合（Q₁ ≤ 1）、送信パワーが無限大に近づくと等パワー割り当てが漸近的に最適になる。
• 送信パワーが増加するに従い、盗聴者のリダンドンスレートは1に近づく。これは、盗聴者の復調能力がパワー増加に伴い向上することを示唆する。
• OMAに比べてNOMAは著しく高い秘匿レートを達成する。特にOMAが正の秘匿レートを維持できない状況（例：0.8 ≤ Q₁ ≤ 1）において顕著である。
• 厳密な秘匿要件（ε → 0）下では、強いユーザーへの最適パワー割り当ては50％未満に保たれる。これは、セキュリティとレートのトレードオフが存在することを示している。