Segurança na camada física em acesso múltiplo não ortogonal utilizando sinais impróprios Gaussianos

Abstract

Resumo: O uso crescente de dados em redes sem fio e a necessidade de taxas de transmissão maiores tem requisitado um melhor desempenho no compartilhamento de espectro. Assim, o acesso múltiplo não ortogonal (NOMA) aparece como uma opção para melhorar a eficiência no uso do espectro, atendendo mais usuários por meio da alocação de recursos não ortogonais. No entanto, as técnicas de compartilhamento de espectro e cancelamento sucessivo da interferência (SIC) usadas em sistemas NOMA no domínio da potência impõem desafios de sigilo em consequências de um usuário não confiável ter a capacidade de decodificar as informações de um usuário confiável. Por esses motivos, a segurança da camada física (PLS) surge como uma alternativa para enfrentar possíveis riscos de segurança. Este trabalho visa explorar, pela primeira vez, a segurança na camada física empregando sinais impróprios Gaussianos (IGS) em uma rede NOMA no domínio da potência afim de analisar o sigilo desse sistema. O modelo do sistema considera o downlink onde uma estação radio base (BS) emprega IGS para transmitir informações a dois usuários. Presume-se que o usuário mais próximo da BS é o usuário confiável e o usuário mais distante é o usuário não confiável. A segurança da rede é avaliada em termos da probabilidade de interrupção do sigilo (SOP) considerando SIC imperfeito nos receptores. Expressões para avaliar a taxa alcançável de cada usuário são obtidas. Com isso, as expressões da SOP para os diferentes cenários são encontradas a partir das simulações de Monte Carlo. Tal expressão é uma função do grau de impropriedade dos sinais transmitidos, da relação-sinal-ruído, da distância dos usuários até a BS, do nível de imperfeição no SIC e da alocação da potência para cada usuário. Os resultados apresentados nesta pesquisa são promissores, uma vez que ao mudar os parâmetros do sistema bem como os graus de impropriedade, a impropriedade permite minimizar a probabilidade de interrupção de sigilo diminui, garantindo uma melhor segurança para o usuário confiável da rede NOMA.

Abstract: The increasing use of data on wireless networks and the need for higher transmission rates, has required better performance in spectrum sharing. Thus, non-orthogonal multiple access (NOMA) appears as an option to improve the spectral efficiency serving more users through the allocation of non-orthogonal resources. However, spectrum sharing and successive interference cancellation (SIC) techniques used in power domain NOMA systems impose confidentiality challenges because untrusted users can decode the information of trusted users. For this reason, physical layer security (PLS) emerges as an alternative to address the possible security risks. This work aims to explore, for the first time, the physical layer security using Gaussian Improper Signals (IGS) in a power domain NOMA network, in order to analyze the secrecy of this system. The system model considers the downlink where a base station (BS) employs IGS to transmit information to two users. It is assumed that the user closest to the BS is the trusted user and the furthest user is the untrusted user. The network security is evaluated in terms of the secrecy outage probability (SOP) considering imperfect SIC in the receivers.Expressions to evaluate the achievable rate of each user are obtained. With this, the SOP expressions for the different scenarios are found from the Monte Carlo simulations. This expression is a function of the degree of inappropriateness of the transmitted signals, the signal-to-noise ratio, the distance between users and the BS, the level of imperfection in the SIC and the power allocation for each user. The results presented in this research are promising, since by changing the system parameters as well as the degrees of impropriety, the impropriety allows to minimize the probability of interruption of confidentiality, ensuring better security for the trusted user of the NOMA network.