[論文レビュー] Hardware Impaired Ambient Backscatter NOMA Systems: Reliability and Security

Xingwang Li, Mengle Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 39被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、現実的なハードウェア制限、チャネル推定誤差、不完全な逐次干渉キャンセレーションを伴う環境バックスキャッタ NOMA システムにおける物理層セキュリティを調査する。人工雑音方式を提案してセキュリティを向上させ、停電確率および盗聴確率の解析的表現を導出。信頼性とセキュリティの間にはトレードオフが存在し、パワー制御により最適化可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) and ambient backscatter communication have been envisioned as two promising technologies for the Internet-of-things due to their high spectral efficiency and energy efficiency. Motivated by this fact, we consider an ambient backscatter NOMA system in the presence of a malicious eavesdropper. Under some realistic assumptions of residual hardware impairments (RHIs), channel estimation errors (CEEs) and imperfect successive interference cancellation (ipSIC), we investigate the physical layer security (PLS) of the ambient backscatter NOMA systems focusing on reliability and security. In order to further improve the security of the considered system, an artificial noise scheme is proposed where the radio frequency (RF) source acts as a jammer that transmits interference signal to the legitimate receivers and eavesdropper. On this basis, the analytical expressions for the outage probability (OP) and the intercept probability (IP) are derived. To gain more insights, the asymptotic analysis and diversity orders for the OP in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime are carried out, and the asymptotic behaviors of the IP in the high main-to-eavesdropper ratio (MER) region are explored as well. Numerical results show that: 1) RHIs, CEEs and ipSIC have negative effects on the OP but positive effects on the IP; 2) Compared with CEEs, RHIs have a more serious impact on the reliability and security of the considered system; 3) There exists a trade-off between reliability and security, and this trade-off can be optimized by reducing the power coefficient of the artificial noise or increasing the interfering factor of readers; 4) There are error floors for the OP due to the CEEs and the reflection coefficient; 5) As MER grows large, the security for Rnand Rf is improved, while the security for T is reduced.

研究の動機と目的

• 残留ハードウェア制限や不完全な信号検出といった現実的で非理想的な条件下における環境バックスキャッタ NOMA システムにおける物理層セキュリティ分析の不足に対処すること。
• 残留ハードウェア制限 (RHIs)、チャネル推定誤差 (CEEs)、不完全な逐次干渉キャンセレーション (ipSIC) がシステムの信頼性およびセキュリティに与える影響を調査すること。
• RFソースがジャマーとして機能し、盗聴者受信を劣化させる一方で正当ユーザーの性能を維持するように、人工雑音方式を提案すること。
• 非理想的な条件下における停電確率 (OP) および盗聴確率 (IP) の閉形式表現を導出すること。
• 高SNRおよび高メイン対盗聴者比 (MER) の領域におけるOPおよびIPの漸近的挙動を分析し、システムの深い洞察を提供すること。

提案手法

• 残留ハードウェア制限 (RHIs)、チャネル推定誤差 (CEEs)、不完全な逐次干渉キャンセレーション (ipSIC) を伴う環境バックスキャッタ NOMA システムにおける停電確率 (OP) および盗聴確率 (IP) の正確な解析的表現を導出する。
• RFソースが正当ユーザーおよび盗聴者に干渉信号を送信する人工雑音方式を提案し、意図した通信の劣化を伴わずにセキュリティを向上させる。
• メイジャーG関数および変形ベッセル関数 (K₀) を用いて、複数の fading チャネルが存在する状況下でのエンドツーエンドの信号対干渉＋ノイズ比 (SINR) 分布をモデル化する。
• 漸近的解析を適用し、高SNRにおけるOPの多様性次数を導出し、高MERにおけるIPの漸近的挙動を評価して長期的なセキュリティ性能を検証する。
• IPおよびOPの導出に伴う複雑な積分の数値近似にガウス＝チェビシェフ則を用いる。
• 数値シミュレーションを用いて解析的結果を検証し、理想状態と非理想的状態のシステム条件を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 残留ハードウェア制限 (RHIs)、チャネル推定誤差 (CEEs)、不完全な逐次干渉キャンセレーション (ipSIC) は、環境バックスキャッタ NOMA システムにおける停電確率 (OP) にどのように影響を与えるか？
• RQ2 これらの非理想要因は、物理層セキュリティ性能を示す盗聴確率 (IP) にどのような影響を与えるか？
• RQ3 提案された人工雑音方式は、盗聴者を想定した状況下で、信頼性を維持しつつセキュリティをどのように向上させるか？
• RQ4 信頼性 (OP) とセキュリティ (IP) の間にはどのようなトレードオフがあり、パワー制御または干渉形状の最適化によってこれを最適化可能か？
• RQ5 高SNRおよび高MER領域におけるOPおよびIPの漸近的挙動は何か？また、それらはシステム設計にどのような洞察を提供するか？

主な発見

• 残留ハードウェア制限 (RHIs)、チャネル推定誤差 (CEEs)、不完全な逐次干渉キャンセレーション (ipSIC) は、システムの信頼性を低下させる（OPを増加）が、逆にセキュリティを向上させる（IPを増加）する。これは直感に反するトレードオフを示している。
• RHIsはCEEsよりも信頼性およびセキュリティに深刻な悪影響を及ぼすため、実用的導入において主要な劣化要因である。
• 信頼性とセキュリティの間には根本的なトレードオフが存在し、人工雑音のパワー係数を低減するか、リーダーにおける干渉係数を増加させることで最適化可能である。
• 停電確率 (OP) は、チャネル推定誤差と反射係数の併存効果により誤差床を示し、高SNRでも性能が制限される。
• メイン対盗聴者電力比 (MER) が高くなると、近端ユーザー (Rₙ) および遠端ユーザー (R_f) のセキュリティは向上するが、送信者 (T) のセキュリティは劣化する。これは非対称なセキュリティ行動を示している。
• 漸近的解析により、OPの多様性次数はチャネルチェーンにおける最も弱いリンクによって決定され、高SNR領域では盗聴確率 (IP) がMERに指数関数的に減少することが確認された。