[論文レビュー] Mode Selection and Spectrum Partition for D2D Inband Communications: A Physical Layer Security Perspective

Yuanyu Zhang, Yulong Shen+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2018

Advanced Wireless Communication Techniques被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、インバンドD2D通信における物理層セキュリティ（PLS）性能を最適化するため、共同モード選択およびスペクトラム分割フレームワークを提案する。確率的アンダーレイ/オーバーレイモード切り替えと直交的スペクトラム割り当ての下で、機密アウトージー確率および機密容量をモデル化し、閉形式の式を導出し、機密容量を最大化し、アウトージーを最小化する最適な設定を同定する。その結果、アンダーレイD2Dペアが人工干渉を用いることでセキュリティを強化できることを示している。

ABSTRACT

This paper investigates from the physical layer security (PLS) perspective the fundamental issues of mode selection and spectrum partition in cellular networks with inband device-to-device (D2D) communication. We consider a mode selection scheme allowing each D2D pair to probabilistically switch between the underlay and overlay modes, and also a spectrum partition scheme where the system spectrum is orthogonally partitioned between cellular and overlay D2D communications. We first develop a general theoretical framework to model both the secrecy outage/secrecy capacity performance of cellular users and outage/capacity performance of D2D pairs, and to conduct performance optimization to identify the optimal mode selection and spectrum partition for secrecy capacity maximization and secrecy outage probability minimization. A case study is then provided to demonstrate the application of our theoretical framework for performance modeling and optimization, and also to illustrate the impacts of mode selection and spectrum partition on the PLS performances of inband D2D communications.

研究の動機と目的

• インバンドD2Dシステムにおけるモード選択とスぺクトラム分割の共同最適化が、物理層セキュリティ（PLS）の観点から不足している現状を是正すること。
• ハイブリッドアンダーレイ/オーバーレイ運用下における、セルラーユーザー（CUE）およびD2Dペアの機密アウトージー確率および機密容量をモデル化・最適化すること。
• アンダーレイD2Dペアがフレンドリーなジャマとして機能することで、有益な干渉をもたらし、PLSをどのように向上させられるかを調査すること。
• 機密容量の最大化および機密アウトージーの最小化のための性能最適化を可能にする一般理論的フレームワークを確立すること。
• ケーススタディを通じて、モード選択およびスぺクトラム分割がPLS性能に与える影響を実証すること。

提案手法

• 各D2Dペアがスイッチング確率に従って確率的にアンダーレイまたはオーバーレイモードを選択する確率的モード選択方式を提案する。
• セルラーユーザーとオーバーレイD2Dペアの間でシステム帯域幅を直交的に割り当てるスぺクトラム分割方式を導入する。
• 確率的幾何学および順序統計を用いて、CUEの機密アウトージー確率および機密容量、D2Dペアのアウトージーおよび容量をモデル化する理論的フレームワークを構築する。
• ランダムなチャネルゲインおよび干渉分布の期待値計算を用いて、機密アウトージー確率および機密容量の閉形式式を導出する。
• モード選択確率およびスぺクトラム割当比を同時に最適化することで、機密容量を最大化し、機密アウトージーを最小化する。
• フレームワークをケーススタディに適用し、システムパラメータがPLS性能に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダーレイとオーバーレイD2Dモード間の確率的モード選択は、セルラーユーザーの物理層セキュリティにどのように影響するか？
• RQ2 機密容量を最大化するために、セルラー通信とオーバーレイD2D通信の間で最適なスぺクトラム割当比は何か？
• RQ3 アンダーレイD2Dペアの密度（フレンドリーなジャマとして機能）は、セルラーリンクの機密アウトージー確率にどのように影響するか？
• RQ4 共同モード選択およびスぺクトラム分割の下で、信頼性の高いD2D通信と安全なセルラートランスミッションの間のトレードオフは何か？
• RQ5 送信電力や路損失などのシステムパラメータは、機密性能の最適設定にどのように影響するか？

主な発見

• 最適なモード選択確率およびスぺクトラム割当比が閉形式で導出され、アンダーレイD2Dペアがフレンドリーなジャマとして機能することで、機密容量が顕著に向上することが示された。
• 機密レート要件が高い場合、信頼性の高いD2Dリンクを確保するため、オーバーレイD2D通信が優先され、より高いスぺクトラム割当が求められる。
• 機密レート要件が低い場合、人工干渉による盗聴チャネルの劣化が可能であるため、アンダーレイD2Dペアが好ましい。
• アンダーレイD2D密度が増加するにつれて機密アウトージー確率が低下し、アンダーレイD2DがPLS向上に寄与するジャミング効果が確認された。
• 最適な設定は、機密容量とD2D信頼性の重みのトレードオフに依存し、システム制約およびチャネル状態に応じて変化する。
• 機密アウトージーおよび機密容量の導出式はケーススタディにより検証され、シミュレーション結果と強い一致を示した。