[논문 리뷰] Robust and Secure Resource Allocation for Full-Duplex MISO Multicarrier NOMA Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 도청자 CSI가 불완전한 상황에서 전체 이중성 MISO 다Carrier NOMA 시스템을 대상으로 최적의 강인성 있고 안전한 자원 할당 프레임워크를 제안한다. 도청자 CSI가 불완전하고 QoS 제약 조건이 존재하는 조건에서, 비례 가중합 처리량을 최대화하기 위해 비례 beamforming, 인공 노이즈, 서브캐리어 할당 및 전력 제어를 종합적으로 최적화한다. 제안된 방법은 높은 기밀성 속도를 달성하며 기존의 OMA 및 기준 NOMA 방식을 능가하며, 저복잡도의 부분최적 알고리즘이 최적 성능에 매우 가까이 도달한다.

ABSTRACT

In this paper, we study the resource allocation algorithm design for multiple-input single-output (MISO) multicarrier non-orthogonal multiple access (MC-NOMA) systems, in which a full-duplex base station serves multiple half-duplex uplink and downlink users on the same subcarrier simultaneously. The resource allocation is optimized for maximization of the weighted system throughput while the information leakage is constrained and artificial noise is injected to guarantee secure communication in the presence of multiple potential eavesdroppers. To this end, we formulate a robust non-convex optimization problem taking into account the imperfect channel state information (CSI) of the eavesdropping channels and the quality-of-service (QoS) requirements of the legitimate users. Despite the non-convexity of the optimization problem, we solve it optimally by applying monotonic optimization which yields the optimal beamforming, artificial noise design, subcarrier allocation, and power allocation policy. The optimal resource allocation policy serves as a performance benchmark since the corresponding monotonic optimization based algorithm entails a high computational complexity. Hence, we also develop a low-complexity suboptimal resource allocation algorithm which converges to a locally optimal solution. Our simulation results reveal that the performance of the suboptimal algorithm closely approaches that of the optimal algorithm. Besides, the proposed optimal MISO NOMA system can not only ensure downlink and uplink communication security simultaneously but also provides a significant system secrecy rate improvement compared to traditional MISO orthogonal multiple access (OMA) systems and two other baseline schemes.

연구 동기 및 목표

• 도청자에 대한 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 상황에서 전체 이중성 MISO 다Carrier NOMA 시스템에 대한 강인하고 안전한 자원 할당 전략을 설계하기 위해.
• 합법 사용자의 QoS 요구사항을 충족시키면서 정보 유출를 제약하는 조건에서 가중합 처리량을 최대화하기 위해.
• 비볼록성, 조합적 성격, 강인 최적화 제약 조건이 존재하는 조건에서 beamforming, 인공 노이즈, 서브캐리어 할당 및 전력 할당을 종합적으로 최적화하기 위해.
• 최적 해에 매우 가까운 성능을 보이며 계산 비용을 크게 감소시킨 저복잡도 부분최적 알고리즘을 개발하기 위해.

제안 방법

• 불완전한 CSI와 기밀성 제약 조건 하에서 비례 beamforming, 인공 노이즈, 서브캐리어 및 전력 할당을 종합적으로 최적화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 라그랑주 이중 문제의 구조와 KKT 조건을 활용하여 단조 최적화를 적용해 문제를 최적으로 해결한다.
• 유도된 양의 정부분행렬의 주요 고유벡터와 정렬된 질량-일차 beamforming 해를 최적 beamforming 해로 도출한다.
• 카루시-쿤-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건을 사용하여 최적 beamforming 및 이중 변수를 특성화함으로써 타당성과 최적성을 보장한다.
• 반복 최적화를 통해 국소 최적 해로 수렴하는 저복잡도 부분최적 알고리즘을 제안한다.
• 합법 사용자에 영향을 주지 않으면서 도청자 채널을 악화시키기 위해 인공 노이즈를 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 이중성 MISO 다Carrier NOMA 시스템에서 도청자 CSI가 불완전한 조건에서 자원 할당을 어떻게 종합적으로 최적화하여 시스템 처리량을 극대화할 수 있는가?
• RQ2 상향 및 하향 링크 사용자 모두의 QoS 제약 조건을 충족시키면서 안전한 통신을 보장하는 최적의 beamforming 및 인공 노이즈 설계는 무엇인가?
• RQ3 제안된 강인 최적화 프레임워크는 서브캐리어 및 사용자 쌍화 할당의 비볼록성과 조합적 성격을 어떻게 다루는가?
• RQ4 기존의 OMA 및 기준 NOMA 시스템과 비교해 제안된 방식이 기밀성 속도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 저복잡도 부분최적 알고리즘의 성능은 처리량과 기밀성 속도 측면에서 최적 해에 얼마나 가까운가?

주요 결과

• 최적 자원 할당 정책은 기존의 MISO OMA 및 다른 두 가지 기준 방식에 비해 시스템 기밀성 속도에서 뚜렷한 향상을 달성한다.
• 제안된 부분최적 알고리즘은 최적 알고리즘의 성능에 매우 가까이 도달하며, 계산 복잡도를 크게 감소시킨 채 거의 최적의 처리량을 달성한다.
• 최적 beamforming 해는 항상 질량-일차이며, 유도된 행렬의 주요 고유벡터와 정렬되어 있어 에너지 효율성과 간섭 관리에 기여한다.
• 인공 노이즈는 합법 사용자의 서비스 품질을 유지하면서 도청자 채널을 효과적으로 악화시키도록 설계된다.
• 전체 이중성 운영과 NOMA 다중화 이득을 활용하여 동시에 안전한 상향 및 하향 링크 전송을 달성한다.
• 도청자 채널 추정치가 정확하지 않은 경우에도 불완전한 CSI 하에서의 강인 설계가 신뢰할 수 있는 성능을 보장한다.