[논문 리뷰] Mode Selection and Spectrum Partition for D2D Inband Communications: A Physical Layer Security Perspective

Yuanyu Zhang, Yulong Shen외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 09.

Advanced Wireless Communication Techniques인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 물리계층 보안(Preliminary Layer Security, PLS) 성능을 최적화하기 위해 인바운드 D2D 통신을 위한 공동 모드 선택 및 스펙트럼 분할 프레임워크를 제안한다. 확률적 언더레이/오버레일 모드 전환과 직교 스펙트럼 할당 하에 비밀성 탈선 확률과 비밀성 용량을 모델링함으로써, 저자들은 닫힌 형식의 표현식을 유도하고 비밀성 용량을 최대화하고 탈선을 최소화하는 최적의 구성 조건을 규명하며, 언더레일 D2D 쌍이 인공 간섭을 통해 보안성을 향상시킬 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

This paper investigates from the physical layer security (PLS) perspective the fundamental issues of mode selection and spectrum partition in cellular networks with inband device-to-device (D2D) communication. We consider a mode selection scheme allowing each D2D pair to probabilistically switch between the underlay and overlay modes, and also a spectrum partition scheme where the system spectrum is orthogonally partitioned between cellular and overlay D2D communications. We first develop a general theoretical framework to model both the secrecy outage/secrecy capacity performance of cellular users and outage/capacity performance of D2D pairs, and to conduct performance optimization to identify the optimal mode selection and spectrum partition for secrecy capacity maximization and secrecy outage probability minimization. A case study is then provided to demonstrate the application of our theoretical framework for performance modeling and optimization, and also to illustrate the impacts of mode selection and spectrum partition on the PLS performances of inband D2D communications.

연구 동기 및 목표

• 물리계층 보안(PLS) 관점에서 인바운드 D2D 시스템에서의 공동 최적화가 부족한 모드 선택 및 스펙트럼 분할 문제를 해결하기 위해.
• 하이브리드 언더레일/오버레일 운영 조건 하에서 셀룰러 사용자(CUEs)와 D2D 쌍의 비밀성 탈선 확률 및 비밀성 용량을 모델링하고 최적화하기 위해.
• 언더레일 D2D 쌍이 우호적 잡음원으로 기능함으로써 유용한 간섭을 유도함으로써 PLS를 향상시킬 수 있는 방법을 탐구하기 위해.
• 비밀성 용량 극대화 및 비밀성 탈선 최소화를 위한 성능 최적화를 가능하게 하는 일반적인 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 사례 연구를 통해 모드 선택 및 스펙트럼 분할이 PLS 성능에 미치는 영향을 입증하기 위해.

제안 방법

• 각 D2D 쌍이 전환 확률에 따라 언더레일 및 오버레일 모드 중에서 확률적으로 선택하는 확률적 모드 선택 기법을 제안한다.
• 셀룰러 사용자와 오버레일 D2D 쌍 간에 시스템 대역폭을 직교적으로 할당하는 스펙트럼 분할 기법을 도입한다.
• 스토케스틱 기하학과 순서 통계를 사용하여 CUE의 비밀성 탈선 확률 및 비밀성 용량, D2D 쌍의 탈선 및 용량을 모델링하는 이론적 프레임워크를 개발한다.
• 랜덤 채널 이득 및 간섭 분포에 대한 기대값 계산을 통해 비밀성 탈선 확률 및 비밀성 용량에 대한 닫힌 형식의 표현식을 유도한다.
• 모드 선택 확률과 스펙트럼 분할 비율을 동시에 조정하여 비밀성 용량을 극대화하고 비밀성 탈선을 최소화하는 방식으로 시스템 최적화를 수행한다.
• 사례 연구를 적용하여 시스템 파라미터가 PLS 성능에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 언더레일 및 오버레일 D2D 모드 간의 확률적 모드 선택은 셀룰러 사용자의 물리계층 보안에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비밀성 용량을 극대화하기 위해 셀룰러 통신과 오버레일 D2D 통신 간의 최적 스펙트럼 분할 비율은 얼마인가?
• RQ3 언더레일 D2D 쌍의 밀도(우호적 잡음원으로 기능)는 셀룰러 링크의 비밀성 탈선 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공동 모드 선택 및 스펙트럼 분할 조건 하에서 신뢰성 있는 D2D 통신과 안정적인 셀룰러 전송 간의 상호 갈등은 어떠한가?
• RQ5 송신 전력 및 경로 감쇠와 같은 시스템 파라미터는 비밀성 성능 최적화 구성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적의 모드 선택 확률과 스펙트럼 분할 비율이 닫힌 형식으로 유도되었으며, 언더레일 D2D 쌍이 우호적 잡음원으로 기능함으로써 비밀성 용량을 크게 향상시킴을 보여준다.
• 비밀성 속도 요구사항이 높을 경우, 신뢰성 있는 D2D 링크를 확보하기 위해 오버레일 D2D 통신이 선호되며, 더 높은 스펙트럼 할당 비율이 요구된다.
• 낮은 비밀성 속도 요구사항에서는 인공 간섭을 통해 가로채기자 채널을 악화시킬 수 있는 언더레일 D2D 쌍이 선호된다.
• 언더레일 D2D 밀도가 증가할수록 비밀성 탈선 확률이 감소함을 확인하여, 언더레일 D2D가 PLS 향상에 기여하는 잡음 효과를 입증한다.
• 최적의 구성은 비밀성 용량과 D2D 신뢰성의 가중치 간 상호 갈등에 따라 달라지며, 이는 시스템 제약 조건 및 채널 조건에 따라 달라진다.
• 비밀성 탈선 및 비밀성 용량에 대한 유도된 표현식은 사례 연구를 통해 검증되었으며, 시뮬레이션 결과와 강한 일치를 보였다.