[论文解读] Uplink NOMA in Large-Scale Systems: Coverage and Physical Layer Security.

Gerardo Gómez, Francisco J. Martín-Vega+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用 8

一句话总结

本文利用随机几何方法分析大规模网络中的上行链路非正交多址接入（NOMA）系统，推导出第k个NOMA用户的覆盖概率和有效保密吞吐量（EST）的解析表达式。该研究考虑了非完美的逐次干扰消除、用于排除窃听者的保护区域，以及基站无窃听者信道状态信息（CSI）的情况，从而实现对保密编码码率、发射功率和排除半径的最优选择，以最大化EST。

ABSTRACT

In this paper, the physical layer security of uplink non-orthogonal multiple access (NOMA) in large-scale networks is analyzed. An stochastic geometry approach is applied to derive new analytical expressions for the coverage probability and the effective secrecy throughput (EST) of the kth NOMA user, which may use a fixed or an adaptive transmission rate. We consider a protected zone around the legitimate terminals to establish an eavesdropper-exclusion area. We assume that the channel state information associated with eavesdroppers is not available at the base station. The impact of an imperfect successive interference cancellation is also taken into account in this work. Our analysis allows an easy selection of the wiretap code rates that maximizes the EST. In addition, our framework also allows an optimum selection of other system parameters like the transmit power or the eavesdropper-exclusion radius.

研究动机与目标

• 分析在现实假设下大规模网络中上行链路NOMA的物理层安全性。
• 建立非完美逐次干扰消除对保密性能影响的模型。
• 引入窃听者排除区域以增强安全性，且无需基站获取窃听者CSI。
• 推导第k个NOMA用户覆盖概率和有效保密吞吐量（EST）的解析表达式。
• 实现对系统参数（包括发射功率和排除半径）的最优选择，以最大化EST。

提出的方法

• 采用随机几何框架，对大规模网络中用户和窃听者的随机空间分布进行建模。
• 对第k个NOMA用户的传输采用固定速率或自适应速率模型，并解析推导其覆盖概率。
• 在合法终端周围引入窃听者排除区域，以降低成功窃听的概率。
• 在非完美逐次干扰消除和基站无窃听者CSI的条件下，推导有效保密吞吐量（EST）。
• 该框架支持对保密编码码率、发射功率和排除半径的优化，以最大化EST。
• 关键数学工具包括点噪声过程和拉普拉斯变换，用于处理干扰和信干比（SINR）。

实验结果

研究问题

• RQ1 非完美逐次干扰消除如何影响上行链路NOMA中的覆盖概率和EST？
• RQ2 窃听者排除区域对第k个NOMA用户有效保密吞吐量有何影响？
• RQ3 当无法获取窃听者CSI时，如何最优选择保密编码码率以最大化EST？
• RQ4 在给定约束条件下，使EST最大化的最优发射功率和排除半径是什么？
• RQ5 用户密度和路径损耗等系统参数如何影响上行链路NOMA中的保密性能？

主要发现

• 所提出的框架可实现对大规模网络中第k个NOMA用户覆盖概率和有效保密吞吐量（EST）的解析推导。
• 引入窃听者排除区域可显著提升保密性能，有效降低被窃听的可能性。
• 保密编码码率、发射功率和排除半径的最优选择是可行的，并能显著提升EST。
• 非完美逐次干扰消除会降低覆盖性能和保密性能，但所提模型可对这一影响进行解析量化。
• 由于采用了排除区域和解析EST最大化方法，即使基站无窃听者CSI，仍可实现有效的保密优化。
• 推导出的表达式可支持高效系统设计与参数调优，以在频谱效率与物理层安全性之间取得平衡。