[논문 리뷰] Uplink NOMA in Large-Scale Systems: Coverage and Physical Layer Security.

Gerardo Gómez, Francisco J. Martín-Vega외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 22인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스투흐라스틱 기하학을 사용하여 대규모 네트워크에서 업링크 비직교 다중접근(NOMA)의 성능을 분석하여 k번째 NOMA 사용자에 대한 커버리지 확률과 유효 기밀 전송속도(EST)에 대한 분석적 표현을 유도한다. 이는 완벽하지 않은 순차적 간섭 제거, 탈취자 제외를 위한 보호 영역, 그리고 기지국에서 탈취자 채널 상태 정보(CSI)가 없음을 고려하여 기밀 전송속도를 최대화하기 위한 와이어트랩 코드 레이트, 전송 전력, 배제 반경의 최적 선택을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, the physical layer security of uplink non-orthogonal multiple access (NOMA) in large-scale networks is analyzed. An stochastic geometry approach is applied to derive new analytical expressions for the coverage probability and the effective secrecy throughput (EST) of the kth NOMA user, which may use a fixed or an adaptive transmission rate. We consider a protected zone around the legitimate terminals to establish an eavesdropper-exclusion area. We assume that the channel state information associated with eavesdroppers is not available at the base station. The impact of an imperfect successive interference cancellation is also taken into account in this work. Our analysis allows an easy selection of the wiretap code rates that maximizes the EST. In addition, our framework also allows an optimum selection of other system parameters like the transmit power or the eavesdropper-exclusion radius.

연구 동기 및 목표

• 대규모 네트워크에서 현실적인 가정 하에 업링크 NOMA의 물리계층 보안성을 분석하기 위해.
• 완벽하지 않은 순차적 간섭 제거의 영향을 기밀 성능에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 기지국에서 탈취자 CSI가 없더라도 기반으로 하는 탈취자 제외 영역을 도입하여 보안을 향상시키기 위해.
• k번째 NOMA 사용자의 커버리지 확률과 유효 기밀 전송속도(EST)에 대한 분석적 표현을 유도하기 위해.
• EST를 최대화하기 위해 전송 전력과 배제 반경을 포함한 최적의 시스템 파라미터 선택을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 대규모 네트워크에서 사용자와 탈취자의 무작위 공간 분포를 모델링하기 위해 스투흐라스틱 기하학 프레임워크를 사용한다.
• k번째 NOMA 사용자의 전송은 고정 또는 적응형 전송률로 모델링되며, 그 커버리지 확률은 분석적으로 유도된다.
• 합법적 단말 주변에 탈취자 제외 영역을 도입하여 탈취 성공 확률을 감소시킨다.
• 기지국에서 탈취자 CSI가 없고 완벽하지 않은 순차적 간섭 제거 조건 하에서 유효 기밀 전송속도(EST)를 유도한다.
• 이 프레임워크를 통해 와이어트랩 코드 레이트, 전송 전력, 배제 반경을 최적화하여 EST를 최대화할 수 있다.
• 주요 수학적 도구로는 간섭과 신호 대 간섭+노이즈 비율을 다루기 위해 샷 노이즈 과정과 라플라스 변환을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완벽하지 않은 순차적 간섭 제거는 업링크 NOMA에서 커버리지 확률과 EST에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 탈취자 제외 영역은 k번째 NOMA 사용자의 유효 기밀 전송속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 탈취자 CSI가 가용하지 않을 경우, EST를 최대화하기 위해 와이어트랩 코드 레이트를 어떻게 최적 선택할 수 있는가?
• RQ4 제약 조건 하에서 EST를 최대화하기 위한 최적의 전송 전력과 배제 반경은 무엇인가?
• RQ5 사용자 밀도와 경로 손실과 같은 시스템 파라미터는 업링크 NOMA의 기밀 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 프레임워크는 대규모 네트워크에서 k번째 NOMA 사용자에 대한 커버리지 확률과 유효 기밀 전송속도(EST)의 분석적 유도를 가능하게 한다.
• 탈취자 제외 영역의 도입은 탈취 가능성 감소로 인해 기밀 성능을 크게 향상시킨다.
• 와이어트랩 코드 레이트, 전송 전력, 배제 반경의 최적 선택이 가능하며, 이는 EST의 상당한 증가로 이어진다.
• 완벽하지 않은 순차적 간섭 제거로 인해 커버리지 및 기밀 성능이 떨어지지만, 제안된 모델은 이를 분석적으로 정량화한다.
• 기지국에서 탈취자 CSI가 없더라도 제외 영역의 사용과 분석적 EST 최적화 덕분에 효과적인 기밀 최적화가 가능하다.
• 유도된 표현은 스펙트럼 효율성과 물리계층 보안을 균형 있게 유지하기 위한 효율적인 시스템 설계 및 파라미터 튜닝을 가능하게 한다.