[논문 리뷰] Energy-Efficient Resource Allocation for Secure NOMA-Enabled Mobile Edge Computing Networks

Wei Wu, Fuhui Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 34인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 에너지 효율적인 자원 할당 프레임워크를 제안하며, 보안이 보장되는 NOMA 기반 모바일 에지 컴퓨팅(MEC) 네트워크에 적용한다. 계산 이송, 전력 할당, 기밀성 제약 조건을 동시에 최적화한다. 가중치 합 에너지 최소화 문제에 대해 반폐쇄형 해를 유도하고, 기밀성 탈선 확률 최소화 문제에 대해 폐쇄형 표현식을 도출한다. 실제 도청 조건 하에서 기존 기준 대비 에너지 효율성과 보안성 측면에서 뛰어난 성능을 입증한다.

ABSTRACT

Mobile edge computing (MEC) has been envisaged as a promising technique in the next-generation wireless networks. In order to improve the security of computation tasks offloading and enhance user connectivity, physical layer security and non-orthogonal multiple access (NOMA) are studied in MEC-aware networks. The secrecy outage probability is adopted to measure the secrecy performance of computation offloading by considering a practically passive eavesdropping scenario. The weighted sum-energy consumption minimization problem is firstly investigated subject to the secrecy offloading rate constraints, the computation latency constraints and the secrecy outage probability constraints. The semi-closed form expression for the optimal solution is derived. We then investigate the secrecy outage probability minimization problem by taking the priority of two users into account, and characterize the optimal secrecy offloading rates and power allocations with closed-form expressions. Numerical results demonstrate that the performance of our proposed design are better than those of the alternative benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 대량의 디바이스 연결을 수반하는 에너지 제약과 지연 민감도가 높은 모바일 에지 컴퓨팅 환경의 도전 과제를 해결하기 위해.
• 수동적인 도청자 모델링과 기밀성 탈선 확률을 성능 지표로 사용하여 MEC에서 물리계층 보안을 향상시키기 위해.
• 기밀성, 지연, 에너지 소비 제약 조건 하에서 통신 및 계산 자원 할당을 공동으로 최적화하기 위해.
• 기밀성과 지연 요구 조건을 만족시키면서 가중치 합 에너지 소비를 최소화하는 최적의 전력 할당 및 이송 전략을 도출하기 위해.

제안 방법

• 기밀성 이송 속도, 계산 지연, 기밀성 탈선 확률 제약 조건 하에서 가중치 합 에너지 소비 최소화 문제를 수립한다.
• 라그랑주 이중성과 쿠른-터커-켈러 조건(KKT 조건)을 사용하여 최적의 전력 및 이송 할당에 대한 반폐쇄형 해를 유도한다.
• 사용자 우선순위를 고려한 기밀성 탈선 확률 최소화 문제를 도입하며, 최적의 속도 및 전력 할당에 대한 폐쇄형 표현식을 도출한다.
• 도청자의 채널을 경로 손실이 알려진 레이일리 fading으로 모델링하고, 기밀성 탈선 확률을 계산하기 위해 지수 누적분포함수를 사용한다.
• NOMA 업링크 전송에서 다중 사용자 간 간섭 제거(SIC)를 적용하여 채널 강도에 따라 사용자 신호를 디코딩한다.
• 수치 결과를 통해 이론적 프레임워크의 타당성을 검증하며, 제안된 설계를 OMA 기반 및 기준 NOMA 기반 기법과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기밀성 및 지연 제약 조건 하에서 NOMA 기반 MEC 네트워크에서 에너지 효율성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 기밀성 조건을 보장하면서 가중치 합 에너지 소비를 최소화하는 최적의 전력 및 계산 이송 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 사용자 우선순위는 기밀성 탈선 확률에 어떤 영향을 미치며, 이러한 제약 조건 하에서 최적의 할당은 어떻게 이루어지는가?
• RQ4 NOMA-MEC 환경에서 전송 전력 증가가 부가 사용자 기밀성 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 에너지 효율성과 보안성 측면에서 제안된 NOMA-MEC 기법은 OMA 기반 MEC와 비교해 어떤가?

주요 결과

• 에너지 예산이 낮을 경우(예: E < 0.45 J), 제안된 설계는 기밀성 OMA-MEC 이송보다 에너지 효율성 측면에서 뛰어나다.
• 높은 에너지 예산(예: E > 0.45 J)에서는 주 사용자로부터의 간섭 증가로 인해 부가 사용자의 기밀성 탈선 성능이 악화되지만, 대부분의 시나리오에서 OMA보다 우수하다.
• 사용자 우선순위를 고려한 기밀성 제약 최적화를 통해 기밀성 탈선 확률을 폐쇄형 표현식을 통해 최소화한다.
• 가중치 합 에너지 소비 최소화 문제에 대한 유도된 반폐쇄형 해는 에너지 효율성과 보안성 사이의 최적 균형을 보장한다.
• 수치 결과는 이론적 분석의 정확성을 확인하며, 제안된 기법이 에너지 효율성과 기밀성 성능 측면에서 모두 뛰어남을 입증한다.