[논문 리뷰] Secure Communications in NOMA System: Subcarrier Assignment and Power Allocation

Haijun Zhang, Ning Yang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 13.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 협동 잡음(CJ)을 사용하여 물리계층 보안을 향상시키기 위해 보안성 있는 비직교 다중접속(NOMA) 양방향 중계 네트워크를 위한 공동 서브대역 할당 및 전력 할당(SSPA) 기법을 제안한다. 서브대역 할당을 다대다 매칭 게임으로 모델링하고 전력 할당을 볼록 기하프로그래밍으로 해결함으로써, SSPA-2 기법은 고간섭 및 고노이즈 조건에서 RA-NOMA 및 SSPA-1보다 훨씬 높은 기밀 에너지 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

Secure communication is a promising technology for wireless networks because it ensures secure transmission of information. In this paper, we investigate the joint subcarrier (SC) assignment and power allocation problem for non-orthogonal multiple access (NOMA) amplify-and-forward two-way relay wireless networks, in the presence of eavesdroppers. By exploiting cooperative jamming (CJ) to enhance the security of the communication link, we aim to maximize the achievable secrecy energy efficiency by jointly designing the SC assignment, user pair scheduling and power allocation. Assuming the perfect knowledge of the channel state information (CSI) at the relay station, we propose a low-complexity subcarrier assignment scheme (SCAS-1), which is equivalent to many-to-many matching games, and then SCAS-2 is formulated as a secrecy energy efficiency maximization problem. The secure power allocation problem is modeled as a convex geometric programming problem, and then solved by interior point methods. Simulation results demonstrate that the effectiveness of the proposed SSPA algorithms under scenarios of using and not using CJ, respectively.

연구 동기 및 목표

• 도청자가 존재하는 NOMA 두 방향 중계 네트워크에서 보안 자원 할당의 부족을 해결한다.
• 전력 제약과 완벽하지 않은 채널 상태 정보 하에서 기밀 에너지 효율을 극대화한다.
• 도청자를 혼란스럽게 하고 물리계층 보안을 향상시키기 위해 협동 잡음(CJ)을 통합한다.
• 시스템 성능을 공동 최적화하는 저복잡도 서브대역 할당 및 전력 할당 기법을 개발한다.
• 각 사용자 쌍에 대해 양의 기밀 속도를 확보하면서 간섭과 도청자로의 누출을 최소화한다.

제안 방법

• 복잡도를 감소시키기 위해 서브대역 할당을 다대다 매칭 게임(SCAS-1)으로 공식화한다.
• 전력 및 사용자 쌍 제약 조건 하에서 기밀 에너지 효율 극대화 문제로 SCAS-2를 제안한다.
• 기밀 전력 할당을 볼록 기하프로그래밍 문제로 모델링하여 최적의 전력 분배를 달성한다.
• 내부점 방법을 적용하여 볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결한다.
• 보안성을 향상시키기 위해 중계국(RS)에서 인공 노이즈 생성을 통합한다.
• 동일한 서브대역에서 다수의 사용자를 디코딩하기 위해 수신기에서 순차적 인터패턴 제거(SIC)를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NOMA 두 방향 중계 네트워크에서 기밀 에너지 효율을 극대화하기 위해 서브대역 할당과 전력 할당을 공동 최적화하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 도청자가 존재하는 NOMA 시스템에서 협동 잡음의 기밀 성능 및 에너지 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 사용자 수와 서브대역 수가 증가할수록 서브대역 할당의 복잡도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 회로 전력 또는 노이즈 분산을 증가시키면 제안된 기법의 기밀 에너지 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 채널 조건 하에서 SSPA-2는 SSPA-1 및 RA-NOMA에 비해 어떤 성능 향상을 제공하는가?

주요 결과

• SSPA-2 기법은 고간섭 및 고노이즈 조건에서 SSPA-1 및 RA-NOMA보다 훨씬 높은 기밀 에너지 효율성을 달성한다.
• 신호 대 노이즈비(SNR, P_Am/σ²)가 증가할수록 기밀 에너지 효율이 증가하지만, 그 증가율은 점점 감소하며, 155 dB 이상에서는 성능이 안정화된다.
• 서브대역당 회로 전력 소비는 기밀 에너지 효율에 부정적 영향을 미치며, 높은 회로 전력은 전송 에너지를 감소시킨다.
• 노이즈 분산(σ²)은 기밀 에너지 효율에 강한 부정적 영향을 미치며, σ²가 -90 dBm를 초과하면 성능이 급격히 악화된다.
• 서브대역 수(N) 또는 사용자 쌍 수를 늘릴수록 기밀 에너지 효율이 향상되며, 이는 더 큰 다양성 이득과 자원 할당의灵活性 덕분이다.
• 제안된 SSPA-2 알고리즘은 10회 이내에 수렴하여 빠른 수렴성과 낮은 계산 복잡도를 입증한다.