[論文レビュー] Securing NOMA Networks by Exploiting Intelligent Reflecting Surface

Zheng Zhang, Jian Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、送信ビームフォーミングとIRS位相シフトを共同最適化することで物理層セキュリティを向上させる分散型知能反射表面（IRS）支援非直交多重アクセス（NOMA）ネットワークを提案する。単一アンテナBSに対しては閉形式の機密アウトレージ確率（SOP）を導出するとともに、リングペナルティを用いた逐次凸近似（SCA）アルゴリズムを提案。多アンテナBSでは、SOP制約を凸化するためにベルンシュタイン型不等式を用い、ベンチマークと比較して顕著な機密レート向上を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the security enhancement of an intelligent reflecting surface (IRS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) network, where a distributed IRS enabled NOMA transmission framework is proposed to serve users securely in the presence of a passive eavesdropper. Considering that eavesdropper's instantaneous channel state information (CSI) is challenging to acquire in practice, we utilize secrecy outage probability (SOP) as the security metric. A problem of maximizing the minimum secrecy rate among users, subject to the successive interference cancellation (SIC) decoding constraints and SOP constraints, by jointly optimizing transmit beamforming at the BS and phase shifts of IRSs, is formulated. For special case with a single-antenna BS, we derive the exact closed-form SOP expressions and propose a novel ring-penalty based successive convex approximation (SCA) algorithm to design power allocation and phase shifts jointly. While for the more general and challenging case with a multi-antenna BS, we adopt the Bernstein-type inequality to approximate the SOP constraints by a deterministic convex form. To proceed, an efficient alternating optimization (AO) algorithm is developed to solve the considered problem. Numerical results validate the advantages of the proposed algorithms over the baseline schemes. Particularly, two interesting phenomena on distributed IRS deployment are revealed: 1) the secrecy rate peak is achieved only when distributed IRSs share the reflecting elements equally; and 2) the distributed IRS deployment does not always outperform the centralized IRS deployment, due to the tradeoff between the number of IRSs and the reflecting elements equipped at each IRS.

研究の動機と目的

• 不完全な盗聴者CSI知識下でのNOMAネットワークにおける物理層セキュリティの向上を目的とする。
• 基地局の送信ビームフォーミングと分散型IRSの位相シフトを共同最適化し、機密レートを最大化することを目的とする。
• IRS支援NOMAシステムにおける非凸SOP制約の課題を解決することを目的とする。
• 単一アンテナおよび多アンテナ基地局の両方のシナリオに適した効率的アルゴリズムの開発を目的とする。
• 機密レート性能を考慮した分散型IRS配置における根本的設計トレードオフを明らかにすることを目的とする。

提案手法

• セキュリティとスペクトル効率の向上を目的として、分散型IRSを活用するNOMA伝送フレームワークを提案する。
• 瞬時の盗聴者CSIが入手不可能なため、セキュリティ指標として機密アウトレージ確率（SOP）を採用する。
• 単一アンテナBSの場合、ガンマ分布に従う確率変数の比を用いて、正確な閉形式SOP式を導出する。
• リングペナルティに基づく逐次凸近似（SCA）アルゴリズムを開発し、送信パワー割り当てとIRS位相シフトを共同最適化する。
• 多アンテナBSの場合、ベルンシュタイン型不等式を用いて非凸SOP制約を決定的凸形式に近似する。
• 凸化された制約下でビームフォーミングと位相シフトを交互に最適化する交替最適化（AO）アルゴリズムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型IRSの配置は、NOMAネットワークにおける機密レート性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 複数のIRSにわたる反射素子の最適な分配は、機密レートを最大化するためにどのようになるか？
• RQ3 IRSの数を増やすことで、NOMAシステムのセキュリティが常に向上するのか？
• RQ4 SOP制約下で、ビームフォーミングとIRS位相シフトをどのように共同最適化できるか？
• RQ5 機密レートの観点から、IRS配置の密度と個々のIRSサイズの間にはどのようなトレードオフが存在するか？

主な発見

• 分散型IRSが反射素子を均等に共有する場合にのみ、機密レートのピークが達成され、最適な負荷分散条件が示された。
• 分散型配置が常に集中型配置を上回るわけではない。これは、IRS数と1つのIRSあたりの反射素子数の間のトレードオフに起因する。
• 提案されたリングペナルティSCAアルゴリズムは、単一アンテナBSのシナリオにおいて、ベースライン手法と比較して優れた機密レート性能を達成した。
• ベルンシュタイン型近似を用いたAOアルゴリズムは、多アンテナBSのシナリオにおける非凸SOP制約を効果的に処理できた。
• 数値結果により、提案された共同最適化フレームワークが機密レートを顕著に向上させ、SOP制約を満たすことが確認された。
• 盗聴者がSICを実行可能であると仮定する最悪ケースの設定が、よりロバストで実用的な機密レート設計を可能にした。