[论文解读] Secure Communications in NOMA System: Subcarrier Assignment and Power Allocation

Haijun Zhang, Ning Yang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 30被引用 5

一句话总结

本文提出了一种联合子载波分配与功率分配（SSPA）方案，用于通过协作干扰（CJ）增强物理层安全性的安全非正交多址（NOMA）双向中继网络。通过将子载波分配建模为多对多匹配博弈，并利用凸几何规划求解功率分配，SSPA-2方案在高干扰和噪声条件下显著提升了保密能量效率，优于RA-NOMA和SSPA-1。

ABSTRACT

Secure communication is a promising technology for wireless networks because it ensures secure transmission of information. In this paper, we investigate the joint subcarrier (SC) assignment and power allocation problem for non-orthogonal multiple access (NOMA) amplify-and-forward two-way relay wireless networks, in the presence of eavesdroppers. By exploiting cooperative jamming (CJ) to enhance the security of the communication link, we aim to maximize the achievable secrecy energy efficiency by jointly designing the SC assignment, user pair scheduling and power allocation. Assuming the perfect knowledge of the channel state information (CSI) at the relay station, we propose a low-complexity subcarrier assignment scheme (SCAS-1), which is equivalent to many-to-many matching games, and then SCAS-2 is formulated as a secrecy energy efficiency maximization problem. The secure power allocation problem is modeled as a convex geometric programming problem, and then solved by interior point methods. Simulation results demonstrate that the effectiveness of the proposed SSPA algorithms under scenarios of using and not using CJ, respectively.

研究动机与目标

• 解决在存在窃听者的情况下NOMA双向中继网络中安全资源分配不足的问题。
• 在功率约束和信道状态信息不完美条件下最大化保密能量效率。
• 集成协作干扰（CJ）以扰乱窃听者，增强物理层安全性。
• 开发低复杂度的子载波分配与功率分配方案，联合优化系统性能。
• 确保每个用户对的保密速率均为正值，同时最小化对窃听者的干扰和信息泄漏。

提出的方法

• 将子载波分配建模为多对多匹配博弈（SCAS-1），以降低复杂度。
• 提出SCAS-2作为在功率和用户对约束下最大化保密能量效率的问题。
• 将安全功率分配建模为凸几何规划问题，以实现最优功率分配。
• 应用内点法高效求解凸优化问题。
• 在中继站（RS）集成人工噪声生成，通过协作干扰增强安全性。
• 在接收端使用连续干扰消除（SIC）技术，以在同一子载波上解码多个用户。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化子载波分配与功率分配，以在NOMA双向中继网络中最大化保密能量效率？
• RQ2 协作干扰对存在窃听者的NOMA系统中保密性能与能量效率有何影响？
• RQ3 子载波分配的复杂度如何随用户数和子载波数变化？
• RQ4 增加电路功率或噪声方差如何影响所提方案的保密能量效率？
• RQ5 在不同信道条件下，SSPA-2相较于SSPA-1和RA-NOMA的性能增益如何？

主要发现

• SSPA-2方案在高干扰和噪声条件下显著优于SSPA-1和RA-NOMA，保密能量效率更高。
• 保密能量效率随信噪比（P_Am/σ²）增加而提升，但增速递减，当信噪比超过155 dB时性能趋于稳定。
• 每子载波的电路功耗对保密能量效率有负面影响，因为更高的电路功耗会减少可发射能量。
• 噪声方差（σ²）对保密能量效率有强烈负面影响；当σ²超过-90 dBm时，性能迅速下降。
• 增加子载波数（N）或用户对数可提升保密能量效率，原因在于获得更大的分集增益和更强的资源分配灵活性。
• 所提出的SSPA-2算法在10次迭代内收敛，表现出快速收敛性和低计算复杂度。