[论文解读] Secure Transmission to the Strong User with Optimal Power Allocation in NOMA

Youhong Feng, Shihao Yan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用 7

一句话总结

本文提出了一种非正交多址接入（NOMA）系统的最优功率分配与冗余速率设计，旨在在保证弱用户最小速率的同时，满足保密 outage概率（SOP）约束，以最大化强用户的保密速率。该工作创新性地基于信道质量建模窃听者的连续干扰 cancellation（SIC）能力，揭示出安全成本随弱用户速率需求增加而降低，且在高功率水平下，等功率分配渐近最优。

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.

研究动机与目标

• 在允许的最大保密 outage概率（SOP）约束下，最大化NOMA系统中强用户的保密速率。
• 保证弱用户的最小传输速率，这对强用户处的SIC至关重要。
• 基于窃听者的信道质量，建模其执行连续干扰 cancellation（SIC）的能力，这是NOMA安全领域的一项新颖考虑。
• 量化物理层安全的成本，以强用户保密速率的降低为度量。
• 揭示NOMA相较于OMA在安全传输中的优势，特别是在高保密需求条件下。

提出的方法

• 建立优化问题，以在SOP和速率约束下最大化强用户的保密速率。
• 引入冗余速率以建模窃听者基于其信道质量通过SIC解码弱用户信号的能力。
• 利用窃听者信道状态信息（CSI）的统计特性，推导最优功率分配与冗余速率的精确解与渐近解。
• 应用Lambert W函数求解由保密中断约束引发的非凸优化问题。
• 通过渐近分析表明，当发射功率增大时，等功率分配趋于最优。
• 在不同发射功率与服务质量（QoS）设置下，通过数值仿真验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 窃听者的信道质量如何影响其在NOMA系统中执行连续干扰 cancellation（SIC）的能力？
• RQ2 在保密中断概率约束下，如何实现强弱用户之间的最优功率分配以最大化强用户的保密速率？
• RQ3 弱用户所需的传输速率如何影响强用户物理层安全的成本？
• RQ4 当发射功率增大时，最优功率分配与冗余速率的渐近行为如何？
• RQ5 在相同的保密与QoS约束下，NOMA与OMA在保密速率性能方面有何差异？

主要发现

• 在主用户与窃听者信噪比（MER）较高的区域，功率分配的渐近解能非常接近精确解。
• 物理层安全的成本——以强用户保密速率的降低衡量——随弱用户所需速率的提高而降低。
• 当弱用户所需速率较低（Q₁ ≤ 1）时，随着发射功率趋于无穷大，等功率分配渐近最优。
• 随着发射功率增加，窃听者的冗余速率趋近于1，表明其解码能力随功率增强而提升。
• NOMA在保密速率方面显著优于OMA，尤其在OMA无法维持正保密速率的场景中（例如当0.8 ≤ Q₁ ≤ 1时）。
• 在严格的保密需求下（ε → 0），强用户最优功率分配始终低于50%，表明安全与速率之间存在权衡。