[논문 리뷰] Physical Layer Security for NOMA: Requirements, Merits, Challenges, and Recommendations

Haji M. Furqan, Jehad M. Hamamreh외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 17인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 물리적 층 보안(PLS)을 이용한 하향 PD-NOMA에 대한 보안 설계 요구사항을 고찰하고, 외부/내부 도청자에 대한 보안 설계 목표를 제시하며, NOMA에서 PLS의 장점을 논의하고, 미래 방향과 도전을 강조한다.

ABSTRACT

Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) has been recognized as one of the most significant enabling technologies for future wireless systems due to its eminent spectral efficiency, ability to provide an additional degree of freedom for Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) and grant free random access. Meanwhile, Physical Layer Security (PLS) has got much attention for future wireless communication systems due to its capability to provide security without relying on traditional cryptography based algorithms. In this article, security design requirements for NOMA and solutions provided by PLS to fulfill these requirements are discussed. The merits and challenges arising from employing PLS to NOMA are identified. Finally, future recommendations and prospective solutions are also presented.

연구 동기 및 목표

• 하향 PD-NOMA에서의 보안 위험을 설명하고 PLS가 이를 어떻게 해결할 수 있는지 설명한다.
• 외부, 내부 및 결합형 도청자에 대비한 보안 설계 목표를 식별한다.
• PLS 기법들(빔포밍, 인공 잡음(AN), 전력 할당, 협력 재방해)과 NOMA에의 적용 가능성에 대해 논의한다.
• OMA에 비해 NOMA에서의 PLS의 이점을 강조하고 향후 연구 방향을 제안한다.

제안 방법

• 도청자가 존재하는 하향 PD-NOMA 시스템 모델을 근접 사용자 하나와 원거리 사용자 하나를 포함하여 검토한다.
• NOMA의 형태를 분류하고 보안과 관련된 SIC 기반 복호화 원칙을 제시한다.
• 외부/내부 도청 시나리오에서의 PLS 설계 기법(빔포밍, 인공 잡음, 전력 할당, 협력 중계/재방해)을 조사한다.
• PLS 기반 NOMA의 성능 이점과 대규모/UW 네트워크 및 RIS 지원 보안에 대한 시사점을 논의한다.
• NOMA를 위한 크로스-레이어 및 RIS-지원 보안의 도전과제, 미해결 문제 및 향후 방향을 개요한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SIC를 악화시키지 않으면서 외부 도청자에 대한 하향 PD-NOMA의 보안을 확보하기 위해 PLS 기법을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 합법적 복호 성능을 해치지 않으면서 내부 도청자(신뢰하지 않는 사용자)들을 NOMA에서 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 다중 셀, RIS-지원, 크로스-레이어 맥락에서 안전한 NOMA의 주요 도전과제와 잠재적 해결책은 무엇인가?
• RQ4 5G 및 그 이후를 위한 NOMA의 PLS를 향상시킬 수 있는 향후 연구 방향은 무엇인가?
• RQ5 다양한 CSI 및 환경 조건에서 NOMA가 OMA 대비 보안상의 이점을 제공하는가?

주요 결과

• 다중 사용자 간 간섭과 유연한 전력 할당을 활용함으로써 NOMA에서 PLS가 더 높은 잠재적 비밀도 성능을 제공한다.
• CSI가 이용 가능할 때 AN과 빔포밍은 외부 도청자에 대한 보안을 강화할 수 있으며, 불완전한 CSI 하에서 설계상의 도전과제가 있다.
• 보안 설계는 내부 도청자에 대해 SIC를 해치지 않으면서 멀리 있는 사용자와 근처 사용자를 보호하기 위해 신호 변환 또는 신중한 빔포밍/전력 전략이 필요하다.
• 내부 및 외부 도청 시나리오는 가장 도전적이며 신호 도메인 변환 및 협력 전략을 필요로 할 수 있다.
• RIS-지원 및 크로스-레이어 접근 방식은 SIC 무결성을 유지하면서 NOMA에서 PLS를 개선하기 위한 유망한 미래 방향이다.