[논문 리뷰] Secure Transmission to the Strong User with Optimal Power Allocation in NOMA

Youhong Feng, Shihao Yan외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 약한 사용자에 대한 최소 전송율을 보장하면서도 강한 사용자의 기밀율을 최대화하고, 기밀 탈출 확률(SOP) 제약 조건을 만족시키기 위해 비직교 다중접속(NOMA) 시스템의 최적 전력 할당 및 부가율 설계를 제안한다. 이는 도청자의 순차적 인터패턴 제거(SIC) 능력을 채널 품질에 기반해 고유하게 모델링하며, 이로 인해 약한 사용자에 대한 전력 요구 수준이 높을수록 보안 비용이 감소하고, 고전력 수준에서 동일 전력 할당이 渐진적으로 최적화됨을 밝혀낸다.

ABSTRACT

With non-orthogonal multiple access(NOMA), we tackle the maximization of the secrecy rate for the strong user subject to a maximum allowable secrecy outage probability, while guaranteeing a constraint on the transmission rate to the weak user. For the first time, the dependence between the eavesdropper's ability to conduct successive interference cancellation and her channel quality is considered. We determine the optimal power allocation and the redundancy rate, based on which the cost of security in terms of the reduction in the strong user's secrecy rate is examined and the benefits of NOMA for secure transmissions are explicitly revealed.

연구 동기 및 목표

• 최대 허용 기밀 탈출 확률(SOP) 제약 조건 하에서 NOMA에서 강한 사용자의 기밀율을 최대화하기 위해.
• 강한 사용자에서 SIC를 수행하기 위해 필수적인 약한 사용자에 대한 최소 전송율을 보장하기 위해.
• 도청자의 채널 품질에 기반해 도청자의 순차적 인터패턴 제거(SIC) 능력을 모델링하는 것으로, NOMA 보안 분야에서의 새로운 고려 사항이다.
• 강한 사용자의 기밀율 감소를 기준으로 물리계층 보안의 비용을 정량화하기 위해.
• 특히 높은 기밀 요구 조건 하에서 OMA 대비 NOMA의 안정성 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• SOP 및 전송율 제약 조건 하에서 강한 사용자의 기밀율을 최대화하기 위한 최적화 문제를 수립한다.
• 도청자의 채널 품질에 따라 약한 사용자 신호를 SIC 방식으로 복원할 수 있는 능력을 모델링하기 위해 부가율을 도입한다.
• 도청자의 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 활용하여 최적 전력 할당 및 부가율에 대한 정확한 해와 渐진 해를 유도한다.
• 기밀 탈출 제약 조건으로 인해 발생하는 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 람베르트 W 함수를 적용한다.
• asymptotic 분석을 통해 전송 전력이 증가함에 따라 동일 전력 할당이 최적화됨을 보여준다.
• 다양한 전송 전력 및 서비스 품질(QoS) 설정 하에서 수치 시뮬레이션을 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도청자의 채널 품질은 NOMA 시스템에서 도청자가 순차적 인터패턴 제거(SIC)를 수행할 능력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기밀 탈출 확률 제약 조건 하에서 강한 사용자와 약한 사용자 간 최적 전력 할당은 무엇인가?
• RQ3 약한 사용자에 대한 요구 전송율이 강한 사용자에 대한 물리계층 보안 비용에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 전송 전력이 증가함에 따라 최적 전력 할당 및 부가율의 渐진적 행동은 어떠한가?
• RQ5 동일한 보안 및 QoS 제약 조건 하에서 NOMA는 OMA 대비 기밀율 성능에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 주요 사용자 대 도청자 전력비(MER)가 높은 영역에서 전력 할당의 渐진 해는 정확한 해에 매우 가까이 수렴한다.
• 물리계층 보안의 비용—즉, 강한 사용자의 기밀율 감소—는 약한 사용자에 대한 요구 전송율이 증가할수록 감소한다.
• 약한 사용자에 대한 요구 전송율이 낮을 경우(Q₁ ≤ 1), 전송 전력이 무한대로 갈수록 동일 전력 할당이 渐진적으로 최적화된다.
• 전송 전력이 증가함에 따라 도청자의 부가율은 1에 수렴하며, 이는 도청자의 복원 능력이 전력 증가에 따라 향상됨을 시사한다.
• OMA에 비해 NOMA는 특히 OMA가 양의 기밀율을 유지하지 못하는 상황(예: 0.8 ≤ Q₁ ≤ 1)에서 훨씬 높은 기밀율을 달성한다.
• 엄격한 기밀 요구 조건(ε → 0) 하에서는 최적 전력 할당이 강한 사용자에게 50% 이하로 유지되며, 이는 보안과 전송율 사이의 상충 관계를 보여준다.