[論文レビュー] UAV Secure Downlink NOMA Transmissions: A Secure Users Oriented Perspective

Hui‐Ming Wang, Xu Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、QoSを要請するユーザー（QUs）が内部の盗聴者として機能する可能性があるUAV支援下行NOMAシステムを提案し、ユーザースケジューリング、パワー割り当て、UAV軌道を共同最適化することで、セキュリティ要請ユーザー（SUs）間の最小秘匿レートを最大化するとともに、QoS制約を満たす。この手法は、動的UAV移動性およびリソース制約下でも、従来のOMAに比べて顕著に優れた秘匿レートを達成する。

ABSTRACT

This paper proposes a secure downlink multi-user transmission scheme enabled by a flexible unmanned aerial vehicle base station (UAV-BS) and non-orthogonal multiple access (NOMA). According to their heterogeneous service requirements, multiple legitimate users are categorized as security-required users (SUs) and quality of service (QoS)-required users (QUs), while these QUs can potentially act as internal eavesdroppers which are curious about the secrecy transmissions of SUs. In such a context, our goal is to maximize the achievable minimum secrecy rate among SUs through the joint optimization of user scheduling, power allocation, and trajectory design, subject to the QoS requirements of QUs and the mobility constraint of UAV-BS. Due to the non-convexity of the problem, an efficient iterative algorithm is firstly proposed, based on the alternative optimization (AO) and successive convex approximation (SCA) methods and along with a penalty-based algorithm to deal with the introduced binary integer variables, to obtain a sub-optimal solution. Then, we propose an SUs-oriented low-complexity algorithm by taking advantage of the inherent characteristics of the optimization problem, which can efficiently reduce the computational complexity and can act as a reasonable initial solution for the previous iterative algorithm to achieve better performance. Finally, the superiority of our proposed scheme compared with the conventional orthogonal multiple access (OMA) one is validated by numerical simulation results.

研究の動機と目的

• QoSを要請するユーザー（QUs）が内部の盗聴者として機能する可能性があるUAV支援下行NOMAシステムにおける物理層セキュリティの課題に対処する。
• セキュリティ要請ユーザー（SUs）間の最小秘匿レートを最大化することで、秘匿性能における公平性とロバスト性を確保する。
• QUsのQoS制約およびUAV-BSの移動制限を最適化フレームワークに組み込む。
• 非凸最適化における性能と計算効率のバランスを図る低複雑性で反復的なアルゴリズムを開発する。
• 内部盗聴者脅威が存在する状況下で、NOMAがOMAをどれほど上回るかを実証する。

提案手法

• QoSおよび移動制限の下で、ユーザースケジューリング、パワー割り当て、UAV軌道設計を統合した非凸最適化問題を定式化する。
• 代替最適化（AO）と逐次凸近似（SCA）を適用し、非凸項を近似することで非凸問題を反復的に解く。
• ユーザースケジューリング意思決定によって生じるバイナリ整数変数を処理するためのペナルティベース手法を導入する。
• 問題の構造を活用した低複雑性のSUs指向アルゴリズムを提案し、計算負荷を低減するとともに、反復アルゴリズムの初期解として機能させる。
• 受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて、チャネルゲインの差に応じて重ね合わせられたNOMA信号を復調する。
• A2G LoSチャネルをモデル化し、UAV移動性を活用して動的チャネルゲイン制御を実現し、スペクトル効率を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMA下行システムにおいて、SUs間の秘匿レートを最大化するために、UAV-BSの軌道とパワー割り当てをどのように共同最適化できるか？
• RQ2 QoSを要請するユーザー（QUs）が内部の盗聴者として機能する場合、SUsの秘匿性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 飛行期間、送信パワー、QoS要件などのシステムパラメータが、秘匿レートおよびUAV-BS軌道設計に与える影響は何か？
• RQ4 低複雑性アルゴリズムは、計算コストを削減しながらも、近似的最適な秘匿性能を達成できるか？
• RQ5 内部盗聴者が存在する状況下で、NOMAはOMAに比べてどれほど伝送を安全に保てるか？

主な発見

• AOおよびSCAに基づく反復的アルゴリズムは、非凸秘匿レート最大化問題に対して部分最適解を達成する。
• 低複雑性のSUs指向アルゴリズムは、計算複雑度を顕著に低減し、反復的アルゴリズムの高品質な初期解を提供する。
• 数値結果から、提案されたNOMA方式は、特に動的UAV移動性下で、従来のOMAに比べて顕著に高い秘匿レートを達成することが示された。
• 飛行期間が延長されるにつれて、UAV-BSが最適位置でホバリングすることで秘匿性能は定常値に収束し、一定期間を超えると利得が減少することが示された。
• 利用可能な送信パワーが高くなると、UAV-BSはQUsからより離れて飛行可能になり、QUsの盗聴能力が低下し、SUsの秘匿レートが向上する。
• QUsのQoS要件が厳しくなると、UAV-BSはそれらに近づく必要が生じ、SUsのチャネル品質が劣化し、秘匿性能が低下する。