[논문 리뷰] Secure Transmit Antenna Selection Protocol for MIMO NOMA Networks over Nakagami-m Channels

Duc‐Dung Tran, Ha-Vu Tran외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 나카가미-m fading 채널에서 MIMO-NOMA 네트워크의 물리계층 보안을 향상시키기 위해 두 가지 전송 안테나 선택(TAS) 프로토콜을 제안한다. 근거리 또는 원거리 사용자에게 신호 강도를 최대화하기 위해 전력 할당을 최적화하고 가장 적합한 전송 안테나를 선택함으로써, 이 방식은 기밀성 외상 성능을 크게 향상시키며, 간섭 관리와 기밀성 비율 향상 측면에서 더 우수한 성능을 보이는 Solution II가 Solution I보다 뛰어나다.

ABSTRACT

In this paper, we studied a multi-input multi-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) network consisting of one source and two legitimate users (LUs), so-called near and far users according to their distances to the source, and one passive eavesdropper, over Nakagami-\ extit{m} fading channel. Specifically, we investigated the scenario that the signals of the far user might or might not be decoded successfully at the eavesdropper and the near user. Thus, we aimed at designing a transmit antenna selection (TAS) secure communication protocol for the network. Then, two TAS solutions, namely Solutions I and II, were proposed. Specifically, solutions I and II focus on maximizing the received signal power between the source and the near user, and between the source and the far user, respectively. Accordingly, the exact and asymptotic closed-form expressions of the secrecy outage probability for the LUs and the overall system were derived. Our analytical results corroborated by Monte Carlo simulation indicate that the secrecy performance could be significantly improved by properly selecting power allocation coefficients and increasing the number of antennas at the source and the LUs. Interestingly, solution II could provide a better overall secrecy performance over solution I.

연구 동기 및 목표

• 수동 탈취자 존재 하에서 MIMO-NOMA 네트워크의 물리계층 보안 과제를 해결하기 위해.
• 기밀성 성능을 향상시키는 저복잡도, 전력 효율적인 전송 안테나 선택(TAS) 프로토콜을 설계하기 위해.
• 근거리 사용자(해결책 I)와 원거리 사용자(해결책 II)의 신호 전력 최대화를 목표로 하는 두 가지 TAS 솔루션을 분석하고 비교하기 위해.
• 각 사용자 및 전체 시스템에 대한 기밀성 외상 확률(SOP)의 정확한 및 점점 가까운 폐형 표현을 유도하기 위해.
• 전력 할당 계수와 전송/수신 안테나 수가 기밀성 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 해결책 I은 근거리 사용자에서 수신되는 신호 전력이 최대가 되는 안테나를 선택하고, 해결책 II는 원거리 사용자에서 수신되는 신호 전력이 최대가 되도록 한다.
• 소스에서 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 이용하여 순간 채널 이득 기반으로 안테나 선택을 수행한다.
• 감마 분포의 페이딩 채널에 대한 순서 통계 및 누적분포함수(CDF)를 이용하여 기밀성 외상 확률(SOP)의 정확한 및 점점 가까운 표현을 유도한다.
• SOP 표현에서 발생하는 복잡한 적분을 수치적으로 근사하기 위해 가우시안-체비셰프 구적법을 적용한다.
• 탈취자의 채널을 나카가미-m 페이딩으로 모델링하고, 후속 간섭 제거(SIC)를 통해 메시지를 디코드할 수 있다고 가정한다.
• NOMA에서 전력 도메인 다중화를 통합하여, 사용자별 채널 품질에 따라 다른 전력 수준을 할당한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수신자와 탈취자가 존재하는 MIMO-NOMA 시스템에서 전송 안테나 선택은 기밀성 외상 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기밀성 성능 측면에서 최적의 TAS 전략은 근거리 사용자 또는 원거리 사용자에 대한 신호 전력 최대화 중 어느 쪽이 더 우수한가?
• RQ3 전력 할당 계수와 안테나 수가 기밀성 외상 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 개별 사용자 및 전체 시스템의 기밀성 외상 확률에 대한 정확한 및 점점 가까운 폐형 표현은 무엇인가?
• RQ5 제안된 TAS 프로토콜은 추가적인 하드웨어 복잡도 없이도 기존의 방법보다 더 나은 기밀성 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 원거리 사용자에서 수신 신호 전력을 최대화하는 Solution II가 근거리 사용자에 대해 최대화하는 Solution I보다 전체 기밀성 성능이 뛰어나다.
• 전송 및 수신 안테나 수가 증가할수록 기밀성 외상 확률(SOP)이 크게 감소한다.
• 최적의 전력 할당 계수를 선택하면 SOP를 최소화하고 기밀성 비율을 향상시킬 수 있으며, 특히 고 SNR 영역에서 효과적이다.
• 점점 가까운 분석 결과, SOP는 SNR의 역수 비례로 변화함을 확인하여 시스템의 다중성 이득을 입증한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석적 유도 결과의 정확성을 검증하였으며, 유도된 폐형 표현의 정확성이 확인되었다.
• 가우시안-체비셰프 구적법을 활용함으로써 SOP 표현에 포함된 복잡한 적분을 정확하게 수치적으로 평가할 수 있었으며, 이는 시스템 설계에 실용적인 분석을 가능하게 하였다.