[논문 리뷰] UAV Secure Downlink NOMA Transmissions: A Secure Users Oriented Perspective

Hui‐Ming Wang, Xu Zhang|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 QoS를 요구하는 사용자(QUs)가 내부에서 도청자로 작용할 수 있는 상황에서, 보안 요구가 있는 사용자(SUs) 간의 최소 기밀률을 최대화하기 위해 사용자 스케줄링, 전력 할당, UAV 궤적을 공동 최적화하는 UAV 보조 다운링크 NOMA 시스템을 제안한다. 이와 동시에 QoS 요구가 있는 QUs의 QoS도 보장한다. 이 방식은 동적 UAV 이동성과 자원 제약 조건 하에서 기존 OMA 대비 기밀률에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

This paper proposes a secure downlink multi-user transmission scheme enabled by a flexible unmanned aerial vehicle base station (UAV-BS) and non-orthogonal multiple access (NOMA). According to their heterogeneous service requirements, multiple legitimate users are categorized as security-required users (SUs) and quality of service (QoS)-required users (QUs), while these QUs can potentially act as internal eavesdroppers which are curious about the secrecy transmissions of SUs. In such a context, our goal is to maximize the achievable minimum secrecy rate among SUs through the joint optimization of user scheduling, power allocation, and trajectory design, subject to the QoS requirements of QUs and the mobility constraint of UAV-BS. Due to the non-convexity of the problem, an efficient iterative algorithm is firstly proposed, based on the alternative optimization (AO) and successive convex approximation (SCA) methods and along with a penalty-based algorithm to deal with the introduced binary integer variables, to obtain a sub-optimal solution. Then, we propose an SUs-oriented low-complexity algorithm by taking advantage of the inherent characteristics of the optimization problem, which can efficiently reduce the computational complexity and can act as a reasonable initial solution for the previous iterative algorithm to achieve better performance. Finally, the superiority of our proposed scheme compared with the conventional orthogonal multiple access (OMA) one is validated by numerical simulation results.

연구 동기 및 목표

• QoS를 요구하는 사용자(QUs)가 내부 도청자로 작용할 수 있는 UAV 보조 다운링크 NOMA 시스템에서 물리계층 보안 문제를 해결한다.
• 보안 요구가 있는 사용자(SUs) 간의 최소 기밀률을 최대화하여 기밀성 성능의 공정성과 강건성을 확보한다.
• QoS 요구 조건을 가진 QUs와 UAV-BS의 이동 제약 조건을 최적화 프레임워크에 통합한다.
• 비볼록 최적화 문제에서 성능와 계산 효율성을 균형 잡기 위해 저복잡도이고 반복적인 알고리즘을 개발한다.
• 내부 도청자 위협이 존재할 경우 NOMA가 OMA 대비 기밀성 전송 성능에서 뛰어나다는 것을 입증한다.

제안 방법

• QoS 및 이동 제약 조건 하에서 사용자 스케줄링, 전력 할당, UAV 궤적 설계를 통합한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 교차 최적화(AO)와 순차적 볼록 근사(ScA)를 적용하여 비볼록 항목을 근사함으로써 반복적으로 비볼록 문제를 해결한다.
• 사용자 스케줄링 결정에 의해 유도된 이진 정수 변수를 처리하기 위해 페널티 기반 방법을 도입한다.
• 문제의 구조를 활용한 저복잡도 SUs 중심 알고리즘을 제안하여 계산 부담을 감소시키고 반복 알고리즘의 초기 해로 활용한다.
• 수신기에서 채널 이득 차이를 기반으로 중첩된 NOMA 신호를 디코드하기 위해 순차적 인터패턴 제거(SIC)를 사용한다.
• A2G LoS 채널을 모델링하여 UAV 이동성을 활용해 동적 채널 이득 제어 및 스펙트럼 효율 향상을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NOMA 다운링크 시스템에서 SUs 간 기밀률을 최대화하기 위해 UAV-BS 궤적과 전력 할당을 공동 최적화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 QoS를 요구하는 사용자(QUs)가 내부 도청자로 작용할 경우 SUs의 기밀성 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비행 주기, 전송 전력, QoS 요구 조건과 같은 시스템 파라미터가 기밀률과 UAV-BS 궤적 설계에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 저복잡도 알고리즘이 계산 비용을 줄이면서도 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 내부 도청자가 존재할 경우, NOMA가 OMA 대비 얼마나 더 우수한 보안 전송 성능을 보이는가?

주요 결과

• AO와 SCA를 기반으로 한 제안된 반복 알고리즘은 비볼록 기밀률 최대화 문제에 대해 부분 최적 해를 달성한다.
• 저복잡도 SUs 중심 알고리즘은 계산 복잡도를 크게 감소시키며 반복 알고리즘의 고질적 초깃값을 제공한다.
• 수치 결과는 제안된 NOMA 방식이 기존 OMA 대비 기밀률을 뚜렷이 향상시키며, 특히 동적 UAV 이동성 조건에서 뛰어난 성능을 보임을 시사한다.
• 비행 주기가 길어질수록 UAV-BS가 최적 위치에서 정지 비행함에 따라 기밀성 성능이 정체 상태에 도달함을 나타내며, 이는 특정 기간 이후에는 수익 감소가 발생함을 의미한다.
• 더 높은 전송 전력은 UAV-BS가 QUs로부터 더 멀리 이동할 수 있도록 해주며, 이는 QUs의 도청 능력을 떨어뜨리고 SUs의 기밀률 향상에 기여한다.
• QUs에 대한 QoS 요구 조건이 엄격해질수록 UAV-BS는 QUs에 더 가까이 이동해야 하며, 이는 SUs의 채널 품질 악화와 기밀성 성능 저하를 초래한다.