[论文解读] Secure Transmit Antenna Selection Protocol for MIMO NOMA Networks over Nakagami-m Channels

Duc‐Dung Tran, Ha-Vu Tran+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出两种用于MIMO-NOMA网络的上行链路波束成形（TAS）协议，以在Nakagami-m衰落信道下提升物理层安全性。通过优化功率分配并选择最佳发射波束，使近用户或远用户最大化信号强度，该方案显著提升了保密中断性能，其中方案II由于更优的干扰管理与保密速率增益，表现优于方案I。

ABSTRACT

In this paper, we studied a multi-input multi-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) network consisting of one source and two legitimate users (LUs), so-called near and far users according to their distances to the source, and one passive eavesdropper, over Nakagami-\ extit{m} fading channel. Specifically, we investigated the scenario that the signals of the far user might or might not be decoded successfully at the eavesdropper and the near user. Thus, we aimed at designing a transmit antenna selection (TAS) secure communication protocol for the network. Then, two TAS solutions, namely Solutions I and II, were proposed. Specifically, solutions I and II focus on maximizing the received signal power between the source and the near user, and between the source and the far user, respectively. Accordingly, the exact and asymptotic closed-form expressions of the secrecy outage probability for the LUs and the overall system were derived. Our analytical results corroborated by Monte Carlo simulation indicate that the secrecy performance could be significantly improved by properly selecting power allocation coefficients and increasing the number of antennas at the source and the LUs. Interestingly, solution II could provide a better overall secrecy performance over solution I.

研究动机与目标

• 解决存在被动窃听者时MIMO-NOMA网络中的物理层安全挑战。
• 设计一种低复杂度、高能效的上行链路波束成形（TAS）协议，以增强保密性能。
• 分析并比较两种TAS方案：一种针对近用户最大化信号功率（方案I），另一种针对远用户（方案II）。
• 推导出两个合法用户及整个系统的保密中断概率（SOP）的精确与渐近闭式表达式。
• 评估功率分配系数以及发射/接收天线数量对保密性能的影响。

提出的方法

• 提出两种TAS方案：方案I选择使近用户接收信号功率最大的波束，方案II则针对远用户。
• 利用源端的统计信道状态信息（CSI）基于瞬时信道增益进行波束选择。
• 利用顺序统计与伽马分布衰落信道的累积分布函数（CDF），推导出保密中断概率（SOP）的精确与渐近表达式。
• 采用高斯-切比雪夫求积法对SOP表达式中出现的复杂数值积分进行近似计算。
• 将窃听者的信道建模为Nakagami-m衰落，并假设其可利用连续干扰 cancellation（SIC）进行译码。
• 在NOMA中引入功率域复用，用户根据其信道质量被分配不同的功率级别。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在被动窃听者的MIMO-NOMA系统中，上行链路波束成形如何影响保密中断性能？
• RQ2 在保密性能方面，最优TAS策略是最大化近用户信号功率，还是最大化远用户信号功率？
• RQ3 功率分配系数与天线数量如何影响保密中断概率？
• RQ4 个体用户与整个系统的保密中断概率的精确与渐近闭式表达式是什么？
• RQ5 所提出的TAS协议是否能在不增加硬件复杂度的前提下，实现优于传统方案的保密性能？

主要发现

• 方案II（即最大化远用户接收信号功率）相比方案I展现出更优的整体保密性能。
• 随着源端与合法用户端发射与接收天线数量的增加，保密中断概率（SOP）显著降低。
• 可选择最优功率分配系数以最小化SOP并提升保密速率，尤其在高信噪比（SNR）区域表现更优。
• 渐近分析表明，SOP与信噪比的倒数成正比，验证了系统中存在分集增益。
• 蒙特卡洛仿真验证了理论推导的准确性，确认了所推导闭式表达式的正确性。
• 高斯-切比雪夫求积法可实现SOP表达式中复杂数值积分的精确数值评估，使分析结果在系统设计中具有实际应用价值。