[論文レビュー] Secure Transmit Antenna Selection Protocol for MIMO NOMA Networks over Nakagami-m Channels

Duc‐Dung Tran, Ha-Vu Tran+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、Nakagami-m fadingチャネルを介したMIMO-NOMAネットワークにおける物理層セキュリティを向上させるために、2つの送信アンテナ選択（TAS）プロトコルを提案する。近端または遠端ユーザーの信号強度を最大化するために、送信パワー割り当てと最適な送信アンテナの選択を最適化することで、スニフェージングアウトージェット性能が顕著に向上し、干渉管理とセキュリティレートの向上が優れているSolution IIがSolution Iを上回る性能を示す。

ABSTRACT

In this paper, we studied a multi-input multi-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) network consisting of one source and two legitimate users (LUs), so-called near and far users according to their distances to the source, and one passive eavesdropper, over Nakagami-\ extit{m} fading channel. Specifically, we investigated the scenario that the signals of the far user might or might not be decoded successfully at the eavesdropper and the near user. Thus, we aimed at designing a transmit antenna selection (TAS) secure communication protocol for the network. Then, two TAS solutions, namely Solutions I and II, were proposed. Specifically, solutions I and II focus on maximizing the received signal power between the source and the near user, and between the source and the far user, respectively. Accordingly, the exact and asymptotic closed-form expressions of the secrecy outage probability for the LUs and the overall system were derived. Our analytical results corroborated by Monte Carlo simulation indicate that the secrecy performance could be significantly improved by properly selecting power allocation coefficients and increasing the number of antennas at the source and the LUs. Interestingly, solution II could provide a better overall secrecy performance over solution I.

研究の動機と目的

• 受動的盗聴者を伴うMIMO-NOMAネットワークにおける物理層セキュリティの課題に対処すること。
• セキュリティ性能を向上させる低複雑性・高効率な送信アンテナ選択（TAS）プロトコルを設計すること。
• 2つのTASソリューションを分析・比較すること：1つは近端ユーザーの信号パワーを最大化する（Solution I）、もう1つは遠端ユーザーの信号パワーを最大化する（Solution II）。
• 両方の正当ユーザーおよび全体システムのセキュリティアウトージェット確率（SOP）の正確かつ漸近的な閉形式表現を導出すること。
• パワー割り当て係数および送信・受信アンテナ数がセキュリティ性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 2つのTAS方式を提案：Solution Iは近端ユーザーでの受信信号パワーを最大化するアンテナを選択するが、Solution IIは遠端ユーザーを対象とする。
• 送信側で瞬時のチャネル利得に基づいてアンテナ選択を実行するために、統計的チャネル状態情報（CSI）を用いる。
• ガンマ分布フェージングチャネルの順序統計および累積分布関数（CDF）を用いて、セキュリティアウトージェット確率（SOP）の正確および漸近的表現を導出する。
• SOP式に生じる複雑な積分を数値的に近似するために、ガウス＝チェビシェフ求積法を適用する。
• 盗聴者のチャネルをNakagami-mフェージングとしてモデル化し、逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いてメッセージを復調可能であると仮定する。
• NOMAにおけるパワー領域多重を組み込み、ユーザーごとにチャネル品質に応じた異なるパワーレベルを割り当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信アンテナ選択は、受動的盗聴者を伴うMIMO-NOMAシステムにおけるセキュリティアウトージェット性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 セキュリティ性能の観点から最適なTAS戦略は何か？—近端ユーザーの信号パワーを最大化するのと、遠端ユーザーの信号パワーを最大化するのと、どちらが優れているか？
• RQ3 パワー割り当て係数およびアンテナ数は、セキュリティアウトージェット確率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 個々のユーザーおよび全体システムのセキュリティアウトージェット確率の正確および漸近的閉形式表現は何か？
• RQ5 提案されたTASプロトコルは、追加のハードウェア複雑性なしに、従来の手法よりも優れたセキュリティ性能を達成できるか？

主な発見

• 遠端ユーザーの受信信号パワーを最大化するSolution IIは、Solution Iよりも優れた全体的なセキュリティ性能を達成する。
• 送信および受信アンテナ数の増加に伴い、セキュリティアウトージェット確率（SOP）は顕著に低下する。
• 最適なパワー割り当て係数を選択することで、SOPを最小化し、特に高SNR領域においてセキュリティレートを向上させることができる。
• 漸近的解析により、SOPがSNRの逆数に比例して減少することが示され、システムにおけるダイバーシティゲインが確認された。
• モンテカルロシミュレーションにより、解析的導出結果の妥当性が検証され、導出された閉形式表現の正確性が裏付けられた。
• ガウス＝チェビシェフ求積法の使用により、SOP式に含まれる複雑な積分の正確な数値評価が可能となり、システム設計に実用的な解析が可能となった。