[論文レビュー] Uplink NOMA in Large-Scale Systems: Coverage and Physical Layer Security.

Gerardo Gómez, Francisco J. Martín-Vega+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、確率的幾何学を用いて大規模ネットワークにおける上行リンク非直交多重アクセス（NOMA）の物理層セキュリティを分析し、k番目のNOMAユーザーの覆蓋確率および有効盗聴スループット（EST）の解析的表現を導出する。不完全な逐次干渉キャンセレーション、盗聴者を除外するための保護領域、および基地局における盗聴者CSIの非利用を考慮し、ESTを最大化するためのワイヤートラップコードレート、送信電力、排除半径の最適選択を可能にする。

ABSTRACT

In this paper, the physical layer security of uplink non-orthogonal multiple access (NOMA) in large-scale networks is analyzed. An stochastic geometry approach is applied to derive new analytical expressions for the coverage probability and the effective secrecy throughput (EST) of the kth NOMA user, which may use a fixed or an adaptive transmission rate. We consider a protected zone around the legitimate terminals to establish an eavesdropper-exclusion area. We assume that the channel state information associated with eavesdroppers is not available at the base station. The impact of an imperfect successive interference cancellation is also taken into account in this work. Our analysis allows an easy selection of the wiretap code rates that maximizes the EST. In addition, our framework also allows an optimum selection of other system parameters like the transmit power or the eavesdropper-exclusion radius.

研究の動機と目的

• 大規模ネットワークにおける上行リンクNOMAの物理層セキュリティを現実的な仮定のもとで分析すること。
• 不完全な逐次干渉キャンセレーションがセキュリティ性能に与える影響をモデル化すること。
• 基地局における盗聴者CSIが入手不可であっても、盗聴者を除外するためのゾーンを導入してセキュリティを強化すること。
• k番目のNOMAユーザーの覆蓋確率および有効盗聴スループット（EST）の解析的表現を導出すること。
• 送信電力や排除半径を含む最適なシステムパラメータ選択を可能にし、ESTを最大化すること。

提案手法

• 大規模ネットワークにおけるユーザーおよび盗聴者のランダムな空間分布をモデル化するために、確率的幾何学フレームワークを採用する。
• k番目のNOMAユーザーの送信を固定レートまたは適応レートでモデル化し、その覆蓋確率を解析的に導出する。
• 正当な端末の周囲に盗聴者排除領域を導入し、盗聴成功の確率を低減する。
• 不完全な逐次干渉キャンセレーションおよび基地局における盗聴者CSI非利用下での有効盗聴スループット（EST）を導出する。
• ワイヤートラップコードレート、送信電力、排除半径の最適化を可能にするフレームワークを提供し、ESTを最大化する。
• 干渉および信号対インターフェレンス＋ノイズ比を扱うために、ショットノイズ過程およびラプラス変換が主な数学的ツールとして用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全な逐次干渉キャンセレーションは、上行リンクNOMAにおける覆蓋確率およびESTにどのように影響を与えるか？
• RQ2 盗聴者排除領域の導入は、k番目のNOMAユーザーの有効盗聴スループットにどのような影響を与えるか？
• RQ3 盗聴者CSIが入手不可である状況で、ワイヤートラップコードレートを最適に選択する方法は何か？
• RQ4 与えられた制約下で、ESTを最大化する最適な送信電力および排除半径は何か？
• RQ5 ユーザー密度やパスロスなどのシステムパラメータは、上行リンクNOMAにおけるセキュリティ性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたフレームワークにより、大規模ネットワークにおけるk番目のNOMAユーザーの覆蓋確率および有効盗聴スループット（EST）の解析的導出が可能になった。
• 盗聴者排除領域の導入により、盗聴の可能性が著しく低減され、セキュリティ性能が向上した。
• ワイヤートラップコードレート、送信電力、排除半径の最適選択が可能であり、これによりESTが顕著に向上した。
• 不完全な逐次干渉キャンセレーションは、覆蓋性能およびセキュリティ性能を劣化させるが、本モデルはその影響を解析的に定量化している。
• 基地局における盗聴者CSIの非利用であっても、排除領域の活用と解析的EST最大化により、効果的なセキュリティ最適化が可能である。
• 導出された式により、スペクトル効率と物理層セキュリティのバランスを取った効率的なシステム設計およびパrameterチューニングが可能になった。