[논문 리뷰] Covert Communication in Intelligent Reflecting Surface-Assisted NOMA Systems: Design, Analysis, and Optimization

Lu Lv, Qingqing Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 지능형 반사 표면의 위상 이득 불확실성과 일반 사용자로부터의 비정규 분할 전송을 이용하여 도청자(윌리)의 감지에 의해 드러나지 않도록 통신을 가능하게 하기 위해 새로운 IRS 보조 다운링크 및 업링크 NOMA 기법을 제안한다. 윌리의 최소 탐지 오차 확률에 대한 해석적 표현을 유도하고, 유용성과 QoS 제약 조건 하에서 공격자 감지에 대한 탐지 오차 확률이 임계값을 초과할 때만 양방향 통신이 가능하다는 것을 보여주며, 공동 전력 및 비례형 조절 최적화를 통해 도청 통신률을 극대화한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate covert communication in an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) system, where a legitimate transmitter (Alice) applies NOMA for downlink and uplink transmissions with a covert user (Bob) and a public user (Roy) aided by an IRS. Specifically, we propose new IRS-assisted downlink and uplink NOMA schemes to hide the existence of Bob's covert transmission from a warden (Willie), which cost-effectively exploit the phase-shift uncertainty of the IRS and the non-orthogonal signal transmission of Roy as the cover medium without requiring additional uncertainty sources. Assuming the worst-case covert communication scenario where Willie can optimally adjust the detection threshold for his detector, we derive an analytical expression for the minimum average detection error probability of Willie achieved by each of the proposed schemes. To further enhance the covert communication performance, we propose to maximize the covert rates of Bob by jointly optimizing the transmit power and the IRS reflect beamforming, subject to given requirements on the covertness against Willie and the quality-of-service (QoS) at Roy. Simulation results demonstrate the covertness advantage of the proposed schemes and confirm the accuracy of the derived analytical results. Interestingly, it is found that covert communication is impossible without using IRS or NOMA for the considered setup while the proposed schemes can always guarantee positive covert rates.

연구 동기 및 목표

• 공격자(윌리)의 감시를 피하기 위해 은밀한 사용자(밥)가 비밀리에 전송하는 IRS 보조 NOMA 시스템에서 도청 통신을 가능하게 하기.
• 추가적인 불확실성 원천 없이도 지능형 반사 표면의 위상 이득 불확실성과 일반 사용자(Roy)의 비정규 분할 전송을 자연스러운 커버 트래픽으로 활용하기.
• 최적 임계값 탐지 조건 하에서 윌리의 최소 평균 탐지 오차 확률에 대한 해석적 표현 유도하기.
• 도청 제약 조건과 Roy의 QoS 제약 조건을 만족시키며, 전송 전력과 IRS 반사 비례형 조절을 공동으로 최적화하여 밥의 도청 통신률 극대화하기.

제안 방법

• IRS의 위상 이득 불확실성과 Roy의 비정규 분할 신호를 커버 미디어로 활용하여 밥의 은밀한 전송을 위한 새로운 IRS 보조 다운링크 및 업링크 NOMA 기법 제안.
• 합법적 송신자(앨리스), 은밀한 사용자(밥), 일반 사용자(Roy), 공격자(윌리)로 구성된 시스템 모델링. 윌리는 최적 에너지 탐지 수행.
• 다른 탐지 임계값 조건 하에서 신호 대 잡음비 분포를 분석하여 윌리의 최소 평균 탐지 오차 확률 유도.
• 윌리의 탐지 오차 확률이 임계값을 초과하고 Roy의 QoS가 확보되는 조건 하에서 밥의 도청 통신률을 극대화하기 위한 공동 최적화 문제 설정.
• 비볼록 최적화 문제를 반복 알고리즘을 사용하여 전력 할당과 비례형 조절 최적화를 번갈아가며 해결.
• 알고리즘 수렴성 증명 및 시뮬레이션을 통한 해석적 결과의 타당성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 추가적인 불확실성 원천 없이도 IRS 보조 NOMA 시스템에서 도청 통신을 달성할 수 있는가?
• RQ2 최적 임계값 탐지 조건 하에서 윌리가 달성할 수 있는 최소 탐지 오차 확률의 해석적 표현은 무엇인가?
• RQ3 IRS 위상 이득 불확실성과 NOMA 전송의 조합이 도청 통신의 은밀함을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 도청 제약 조건과 QoS 제약 조건 하에서 밥이 달성할 수 있는 최대 도청 통신률은 얼마인가?
• RQ5 고려된 시스템 모델에서 IRS와 NOMA를 동시에 사용하지 않으면 양호한 도청 통신률을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 이론적 분석과 시뮬레이션 결과를 통해 고려된 시스템 설정에서 IRS와 NOMA를 동시에 사용하지 않으면 도청 통신이 불가능하다는 것이 확인되었다.
• 제안된 기법은 IRS 위상 이득 불확실성과 Roy의 NOMA 전송을 커버 트래픽으로 활용하여 양호한 도청 통신률을 달성한다.
• 윌리의 최소 평균 탐지 오차 확률은 해석적으로 유도되었으며, 신호 전력, 경로 손실 및 탐지 임계값에 따라 달라진다.
• 전송 전력과 IRS 비례형 조절의 공동 최적화가 도청 통신률을 크게 향상시키며, 시뮬레이션 결과는 해석적 유도의 정확성을 확인한다.
• 반복 알고리즘이 수렴하여 도청 통신률을 단조적으로 증가시키며, 목적 함수 값은 상한선으로 둘러싸여 있다.