[논문 리뷰] Securing NOMA Networks by Exploiting Intelligent Reflecting Surface

Zheng Zhang, Jian Chen외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 40인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전송 beamforming과 IRS 위상 보정을 공동으로 최적화하여 물리계층 보안을 향상시키기 위해 분산형 지능형 반사 표면(IID)을 활용한 비직교 다중접근(NOMA) 네트워크를 제안한다. 단안테나 기지국(BS)에 대해 폐쇄형 비밀성 탈출 확률(SOP)을 유도하고, 다안테나 BS에 대해서는 SOP 제약 조건을 볼록화하기 위해 Bernstein 유형 부등식을 사용하며, 벤치마크 대비 상당한 비밀성 수신률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates the security enhancement of an intelligent reflecting surface (IRS) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) network, where a distributed IRS enabled NOMA transmission framework is proposed to serve users securely in the presence of a passive eavesdropper. Considering that eavesdropper's instantaneous channel state information (CSI) is challenging to acquire in practice, we utilize secrecy outage probability (SOP) as the security metric. A problem of maximizing the minimum secrecy rate among users, subject to the successive interference cancellation (SIC) decoding constraints and SOP constraints, by jointly optimizing transmit beamforming at the BS and phase shifts of IRSs, is formulated. For special case with a single-antenna BS, we derive the exact closed-form SOP expressions and propose a novel ring-penalty based successive convex approximation (SCA) algorithm to design power allocation and phase shifts jointly. While for the more general and challenging case with a multi-antenna BS, we adopt the Bernstein-type inequality to approximate the SOP constraints by a deterministic convex form. To proceed, an efficient alternating optimization (AO) algorithm is developed to solve the considered problem. Numerical results validate the advantages of the proposed algorithms over the baseline schemes. Particularly, two interesting phenomena on distributed IRS deployment are revealed: 1) the secrecy rate peak is achieved only when distributed IRSs share the reflecting elements equally; and 2) the distributed IRS deployment does not always outperform the centralized IRS deployment, due to the tradeoff between the number of IRSs and the reflecting elements equipped at each IRS.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 탈취자 CSI 지식 하에서 NOMA 네트워크의 물리계층 보안을 향상시키기 위해.
• 기지국의 전송 beamforming과 분산형 IRS의 위상 보정을 공동으로 최적화하여 비밀성 수신률을 최대화하기 위해.
• IRS 보조 NOMA 시스템에서 비볼록 SOP 제약 조건의 과제를 해결하기 위해.
• 단안테나 및 다안테나 기지국 시나리오 모두에 대해 효율적인 알고리즘을 개발하기 위해.
• 비밀성 수신률 성능을 고려할 때 분산형 IRS 배치의 기본 설계 상충관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 보안성과 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 분산형 IRS 기반의 NOMA 전송 프레임워크를 제안한다.
• 순간적인 탈취자 CSI가 가용하지 않기 때문에 비밀성 탈출 확률(SOP)을 보안 지표로 사용한다.
• 단안테나 BS의 경우, 감마 분포를 따르는 난수 변수의 비율을 이용해 정확한 폐쇄형 SOP 표현식을 유도한다.
• 전력 할당과 IRS 위상 보정을 공동으로 최적화하기 위해 린-패널티 기반의 순차적 볼록 근사화(ScA) 알고리즘을 개발한다.
• 다안테나 BS의 경우, 비볼록 SOP 제약 조건을 결정론적 볼록 형태로 근사하기 위해 Bernstein 유형 부등식을 적용한다.
• 볼록화된 제약 조건 하에서 beamforming과 위상 보정을 번갈아 최적화하는 교대 최적화(AO) 알고리즘을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산형 IRS 배치는 NOMA 네트워크에서 비밀성 수신률 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비밀성 수신률을 최대화하기 위해 반사 요소를 여러 IRS에 어떻게 분배해야 하는가?
• RQ3 IRS의 수를 늘릴수록 항상 보안성이 향상되는가?
• RQ4 SOP 제약 조건 하에서 beamforming과 IRS 위상 보정을 어떻게 공동으로 최적화할 수 있는가?
• RQ5 비밀성 수신률 측면에서 IRS의 배치 밀도와 개별 IRS의 크기 사이에 어떤 상충관계가 존재하는가?

주요 결과

• 분산형 IRS가 반사 요소를 균일하게 공유할 때 비밀성 수신률의 최대치를 달성하며, 이는 최적의 부하 균형 조건을 나타낸다.
• 분산형 배치가 항상 중심집중형 배치를 능가하지는 않으며, IRS의 수와 각 IRS당 반사 요소 수 사이의 상충관계가 존재한다.
• 제안된 린-패널티 SCA 알고리즘은 단안테나 BS 케이스에서 기준 대비 뛰어난 비밀성 수신률 성능을 달성한다.
• Bernstein 유형 근사화를 통한 AO 알고리즘은 다안테나 BS 시나리오에서 비볼록 SOP 제약 조건을 효과적으로 다룬다.
• 수치 결과는 제안된 공동 최적화 프레임워크가 비밀성 수신률을 상당히 향상시키며 SOP 제약 조건을 충족함을 확인한다.
• 가장 악성인 탈취자 가정(즉, SIC 기능을 갖춘 탈취자)은 더 강건하고 실용적인 비밀성 수신률 설계를 이끈다.