[논문 리뷰] On the Secrecy Design of STAR-RIS assisted Uplink NOMA Networks

Zheng Zhang, Jian Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전체 및 통계적 탈취자 CSI 하에서 물리계층 보안을 향상시키기 위해 STAR-RIS를 활용한 업링크 NOMA 네트워크를 위한 기밀 빔포밍 설계를 제안한다. 이는 수신 빔포밍, 전송 전력, 반사/투과 계수를 동시에 최적화하는 교대 하이브리드 빔포밍(AHB) 알고리즘을 도입하여 기밀 용량을 향상시키고 기밀 아웃오지 확률을 감소시킨다.

ABSTRACT

This paper investigates the secure transmission in a simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surface (STAR-RIS) assisted uplink non-orthogonal multiple access system, where the legitimate users send confidential signals to the base station by exploiting STAR-RIS to reconfigure the electromagnetic propagation environment proactively. Depending on the availability of the eavesdropping channel state information (CSI), both the full CSI and statistical CSI of the eavesdropper are considered. For the full eavesdropping CSI scenario, we adopt the adaptive-rate wiretap code scheme with the aim of maximizing minimum secrecy capacity subject to the successive interference cancellation decoding order constraints. To proceed, we propose an alternating hybrid beamforming (AHB) algorithm to jointly optimize the receive beamforming, transmit power, and reflection/transmission coefficients. While for the statistical eavesdropping CSI scenario, the constant-rate wiretap code scheme is employed to minimize the maximum secrecy outage probability (SOP) subject to the quality-of-service requirements of legitimate users. Then, we derive the exact SOP expression under the constant-rate coding strategy and develop an extended AHB algorithm for the joint secrecy beamforming design. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme. Moreover, some useful guidance about the quantification of phase shift/amplitude and the deployment of STAR-RIS is provided.

연구 동기 및 목표

• 무선 브로드캐스트 특성으로 인해 탈취 위험이 있는 STAR-RIS를 활용한 NOMA 네트워크에서 물리계층 보안 메커니즘이 부족한 문제를 해결한다.
• SIC 디코딩 순서 제약 조건 하에 전체 탈취자 CSI 하에서 기밀 용량을 최대화하는 기밀 빔포밍 설계를 한다.
• 합법 사용자의 품질보증 요구사항을 충족시키면서 통계적 탈취자 CSI 하에서 기밀 아웃오지 확률을 최소화한다.
• 안정적인 NOMA 시스템에서의 STAR-RIS 구현 및 위상 각도/진폭 양자화 지침을 제공한다.

제안 방법

• 기밀 용량 최소값을 극대화하기 위해 전체 탈취자 CSI 하에서 적응형 비율 웨이트랩 코딩을 적용한다.
• 수신 빔포밍, 전송 전력, 반사/투과 계수를 동시에 최적화하기 위해 교대 하이브리드 빔포밍(AHB) 알고리즘을 개발한다.
• 최적의 랭크-1 수신 빔포밍 행렬을 도출하기 위해 라그랑주 이중성과 KKT 조건을 적용한다.
• 기밀 아웃오지 확률(SOP)을 최소화하기 위해 통계적 CSI 하에서 일정 비율 웨이트랩 코딩을 적용한다.
• 일정 비율 코딩 하에서 SOP에 대한 정확한 해석적 표현을 유도하여 기밀 아웃오지 성능 최적화를 가능하게 한다.
• AHB 알고리즘을 확장하여 통계적 CSI 하에서 기밀 빔포밍을 동시에 최적화하며 수렴성과 부분 최적 성능를 보장한다.

Figure 1: A STAR-RIS assisted uplink NOMA secrecy communication system.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 탈취자 CSI 하에서 STAR-RIS를 활용한 업링크 NOMA에서 기밀 용량을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 기밀 용량 극대화를 위해 전송 전력, 수신 빔포밍, 반사/투과 계수를 어떻게 최적의 조합으로 설계할 수 있는가?
• RQ3 탈취자에 대한 통계적 CSI만 제공될 경우 기밀 아웃오지 확률을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ4 다양한 CSI 가정 하에서 기밀 성능의 성능 한계와 상호 보완적 특성은 무엇인가?
• RQ5 안정적인 NOMA 시스템에서 STAR-RIS의 최적 구현 및 위상 각도 양자화 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 AHB 알고리즘은 부분 최적 해로 수렴하며, 탇가능 영역의 연속성과 컴act성에 의해 수렴성이 증명된다.
• 최적의 수신 빔포밍 행렬은 랭크-1이며, KKT 조건과 라그랑주 이중성을 통해 도출된다.
• 일정 비율 코딩 하에서 SOP에 대한 정확한 해석적 표현이 도출되어 기밀 아웃오지 성능 최적화가 가능해졌다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 기법들이 기밀 용량 향상과 SOP 감소에 효과적임을 확인한다.
• 본 연구는 기밀 NOMA 전송을 위한 위상 각도/진폭 양자화 및 최적 STAR-RIS 배치에 대한 실용적 지침을 제공한다.

Figure 2: Tightness of the analytical SOP expression with $M=8$ , $N=24$ and $R_{\text{c},\rho}-R_{\text{s},\rho}=1$ bps/Hz.