[논문 리뷰] Secure Beamforming in MISO NOMA Backscatter Device Aided Symbiotic Radio Networks

Yiqing Li, Miao Jiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 08.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 12인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 백스캐터 디바이스(BD)에서 중심 사용자로의 $ε$-아웃오지 시크리시티 레이트를 최대화하면서 기지국의 전송에 대한 시크리시티 레이트 제약 조건을 만족시키는 MISO NOMA 백스캐터 디바이스 지원 심비오틱 라디오 네트워크를 위한 안전한 비트포밍 기법을 제안한다. 고유값 분해와 랭크-일치 리 릴랙세이션을 활용한 제약 조건이 있는 볼록-비볼록 절차(CCCP)를 통해, 이 알고리즘은 직교 다중접근(OMA) 네트워크보다 훨씬 넓은 시크리시티 레이트 영역을 달성한다.

ABSTRACT

Symbiotic radio (SR) networks are possible solutions to the future low-power wireless communications for massive Internet of Things devices. In this paper, we investigate a multiple-input-single-output non-orthogonal multiple access (NOMA) backscatter device (BD) aided SR network with a potential eavesdropper. In the network, a base station (BS) broadcasts signals to a central user and a cell-edge user using the NOMA protocol. With ambient backscatter modulation, the BD transmits its own messages to the central user over incident signals from the BS. We propose a constrained concave convex procedure-based algorithm which maximizes the $ε$-outage secrecy rate from the BD to the central user under the achievable secrecy rate constraints from the BS to the central and cell-edge users. Simulation results illustrate that our proposed network achieves a much larger secrecy rate region than the orthogonal multiple access (OMA) network.

연구 동기 및 목표

• 백스캐터 디바이스 지원 심비오틱 라디오 네트워크에서 잠재적인 도청자가 존재하는 환경에서 물리계층 보안 문제를 다루기 위해.
• 기지국이 중심 사용자와 세포외곽 사용자로 전송하는 데 있어 시크리시티 레이트 제약 조건을 충족시키면서, BD에서 중심 사용자로의 $ε$-아웃오지 시크리시티 레이트를 최대화하기 위해.
• 저전력, 대량의 IoT 환경에서 신뢰성 있고 안전한 통신을 보장하는 비트포밍 전략을 설계하기 위해.
• 기존의 OMA 기반 SR 네트워크에 비해 시크리시티 레이트 성능 측면에서 뛰어난 성능을 달성하기 위해.

제안 방법

• BD에서 기지국으로의 통신에 대해 $ε$-아웃오지 확률 제약 조건이 있는 시크리시티 레이트 최대화 문제를 수립한다.
• 고유값 분해(EVD)를 사용하여 비볼록인 $ε$-아웃오지 제약 조건을 두 개의 등가인 볼록-차이(DC) 제약 조건으로 변환한다.
• 비볼록성을 다루기 위해 랭크-일치 리 릴랙세이션을 적용한다.
• 제약 조건이 있는 볼록-비볼록 절차(CCCP)를 사용하여 일련의 볼록 준정적행렬계획문제(SDP)를 반복적으로 해결한다.
• 중심 사용자에서 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 적용하여 기지국과 백스캐터 디바이스의 신호를 차례로 복원한다.
• 이완된 SDP 해에서 실현 가능한 비트포밍 벡터를 복원하기 위해 랭크-일치 분해를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잠재적인 도청자가 존재하는 MISO NOMA 백스캐터 디바이스 지원 심비오틱 라디오 네트워크에서 안전한 비트포밍은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 아웃오지 제약 조건 하에서 이러한 네트워크에서 시크리시티 레이트와 신뢰성 사이의 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 백스캐터 디바이스의 반사계수는 시크리시티 레이트 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NOMA 기반 SR 네트워크는 OMA 기반 대안보다 더 나은 시크리시티 레이트 영역을 달성할 수 있는가?
• RQ5 백스캐터 신호의 간섭은 주요 사용자의 복원 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 다양한 시크리시티 레이트 제약 조건 하에서 제안된 알고리즘이 약 12회 반복 내에 수렴함을 확인하여 강력한 수렴 특성을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과를 통해 NOMA 기반 SR 네트워크가 OMA 기반 네트워크보다 훨씬 넓은 시크리시티 레이트 영역을 달성하는 것으로 확인되었다.
• 최적의 반사계수 $α$가 존재하며, 이 값 이상이 되면 간섭 증가로 인해 성능이 악화될 수 있다.
• α가 작을 경우 α를 증가시키면 시크리시티 레이트가 향상되지만, 너무 큰 α 값은 기지국에서의 직접 링크 간섭으로 인해 성능을 떨어뜨린다.
• 시크리시티 레이트 영역은 기지국이 중심 사용자와 세포외곽 사용자로 전송하는 데 있어 확보 가능한 시크리시티 레이트 제약 조건에 민감하게 영향을 받는다.