[論文レビュー] I/Q Imbalance Aware Nonlinear Wireless-Powered Relaying of B5G Networks: Security and Reliability Analysis

Xingwang Li, Mengyan Huang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 45被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、I/Q不整合、チャネル推定誤差、非線形エネルギー回収を考慮した、B5Gネットワーク向けの安全で信頼性の高い非線形エネルギー回収デコードアンドフォワードリレーシステムを提案する。アウトージュ確率および盗聴確率の閉形式表現を導出し、リレーセレクションが性能を向上させることを示しながら、信頼性とセキュリティの間のトレードオフを明らかにする。

ABSTRACT

Physical layer security is known as a promising paradigm to ensure security for the beyond 5G (B5G) networks in the presence of eavesdroppers. In this paper, we elaborate on a tractable analysis framework to evaluate the reliability and security of wireless-powered decode-and-forward (DF) multi-relay networks. The nonlinear energy harvesters, in-phase and quadrature-phase imbalance (IQI) and channel estimation errors (CEEs) are taken into account in the considered system. To further improve the secure performance, two relay selection strategies are presented: 1) suboptimal relay selection (SRS); 2) optimal relay selection (ORS). Specifically, exact analytical expressions for the outage probability (OP) and the intercept probability (IP) are derived in closed-form. For the IP, we consider that the eavesdropper can wiretap the signal from the source or the relay. In order to obtain more useful insights, we carry out the asymptotic analysis and diversity orders for the OP in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime under non-ideal and ideal conditions. Numerical results show that: 1) Although the mismatches of amplitude/phase of transmitter (TX)/receiver (RX) limit the OP performance, it can enhance IP performance; 2) Large number of relays yields better OP performance; 3) There are error floors for the OP because of the CEEs; 4) There is a trade-off for the OP and IO to obtain the balance between reliability and security.

研究の動機と目的

• エネルギー制限付きリレーシステムを有するB5Gネットワークにおける物理層セキュリティを確保する課題に対処する。
• リレーシステムに現実的な劣化要因として、I/Q不整合、チャネル推定誤差、非線形エネルギー回収をモデル化する。
• 信頼性とセキュリティの両方を向上させるために、2つのリレーセレクション戦略（準最適および最適）を開発・分析する。
• 非理想ハードウェア条件下でのアウトージュ確率および盗聴確率に対する扱いやすい解析的表現を提供する。
• 高SNR領域における分岐次数および漸近的挙動を調査し、システム性能の限界を理解する。

提案手法

• 非線形エネルギー回収モデルを組み込んだ、複数のリレーユニットを有する無線駆動デコードアンドフォワードリレーシステムを定式化する。
• 送信機および受信機におけるI/Q不整合を、信号伝送に影響を及ぼす振幅および位相の不一致としてモデル化する。
• 実用的システムにおける不完全なCSIを反映させるために、チャネル推定誤差（CEEs）を組み込む。
• 統計的チャネルモデルを用いて、アウトージュ確率（OP）および盗聴確率（IP）の正確な閉形式表現を導出する。
• リンク品質に基づく準最適リレーセレクション（SRS）およびエンドツーエンドSNRを最大化する最適リレーセレクション（ORS）の2つのリレーセレクション戦略を提案する。
• 高SNR領域における漸近的解析を実施し、分岐次数を導出し、CEEsによる誤りフロアの発生を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 I/Q不整合およびチャネル推定誤差は、無線駆動B5Gリレーネットワークにおけるアウトージュ確率および盗聴確率にどのように影響するか？
• RQ2 非線形エネルギー回収は、デコードアンドフォワードリレーシステムの信頼性およびセキュリティ性能にどのような影響を及えるか？
• RQ3 準最適および最適リレーセレクション戦略は、アウトージュ確率および盗聴確率の観点でどのように比較できるか？
• RQ4 非理想ハードウェア条件下でのシステムの分岐次数は何か？また、チャネル推定誤差により誤りフロアが生じるか？
• RQ5 このようなシステムにおいて、信頼性（アウトージュ性能）とセキュリティ（盗聴確率）の間に根本的なトレードオフが存在するか？

主な発見

• I/Q不整合は信号歪みによりアウトージュ性能を劣化させるが、盗聴確率を向上させるため、信頼性とセキュリティの間のトレードオフを示している。
• 多数のリレーユニットは、より良いリレーセレクション分岐を可能にすることで、アウトージュ性能を顕著に改善する。
• チャネル推定誤差はアウトージュ確率に誤りフロアを引き起こし、高SNRでも性能を制限する。
• システムはアウトージュ確率と盗聴確率の間でトレードオフを示しており、片方を最適化すると他方が劣化する可能性がある。
• 漸近的解析により、分岐次数がチャネル推定誤差によって制限されることを確認した一方で、I/Q不整合は高SNR領域における分岐ゲインに影響を及える。
• アウトージュ確率および盗聴確率の両方について、閉形式表現を導出した。これにより、現実的なハードウェア劣化要因を考慮した効率的な性能評価およびシステム設計が可能になる。