[論文レビュー] Secrecy Analysis of Ambient Backscatter NOMA Systems under I/Q Imbalance

Xingwang Li, Mengle Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 11被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、同相および quadrature 相位不整合（IQI）下における環境バックスキャッタ NOMA システムの機密性性能を分析し、中断確率（OP）および盗聴確率（IP）の閉形式式を導出する。IQIは信頼性を低下させるが、特にバックスキャッタデバイス（BD）においては、独自の信号復調プロセスと反射係数への感受性のおかげで、最も優れた機密性性能を示すため、セキュリティを向上させる。

ABSTRACT

We investigate the reliability and security of the ambient backscatter (AmBC) non-orthogonal multiple access (NOMA) systems, where the source aims to communication with two NOMA users in the presence of an eavesdropper. We consider a more practical case that nodes and backscatter device (BD) suffer from in-phase and quadrature-phase imbalance (IQI). More specifically, exact analytical expressions for the outage probability (OP) and the intercept probability (IP) are derived in closedform. Moreover, the asymptotic behaviors and corresponding diversity orders for the OP are discussed. Numerical results show that: 1) Although IQI reduces the reliability, it can enhance the security. 2) Compared with the traditional orthogonal multiple access (OMA) system, the AmBC-NOMA system can obtain better reliability when the signal-to-noise (SNR) ratio is low; 3) There are error floors for the OP because of the reflection coefficient \b{eta} .

研究の動機と目的

• 環境バックスキャッタ非直交多重アクセス（AmBC-NOMA）システムにおける同相および四分音相位不整合（IQI）の信頼性およびセキュリティへの影響を調査すること。
• 実用的なIQIインパルスを考慮し、遠端ユーザー、近端ユーザー、およびバックスキャッタデバイス（BD）における中止確率（OP）および盗聴確率（IP）の正確な閉形式式を導出すること。
• 高SNRにおけるOPの漸近的挙動および分岐次数を分析し、IQI下でのシステム信頼性限界を理解すること。
• 盗聴およびIQIが存在する状況における信頼性と物理層セキュリティのトレードオフを評価すること。
• BDが信号復調メカニズムおよび反射係数βへの感受性のおかげで、他のユーザーと比較して優れた機密性性能を達成することを示すこと。

提案手法

• 送信機および受信機のRFフロントエンドにおけるIQIを、振幅不整合（σt, σr）および位相不整合（φt, φr）としてモデル化し、ベースバンド送受信に影響を与える。
• Nakagami-m fading下でのエンドツーエンドの干渉加算ノイズ比（SINR）の累積分布関数（CDF）を用いて、遠端ユーザー、近端ユーザー、およびBDにおけるOPおよびIPの閉形式式を導出する。
• 近端ユーザーおよびBDでは逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用するが、特に近端ユーザーの復調チェーンにおいてIQIの影響でSIC性能が低下する。
• 高SNRにおけるOPの漸近的挙動を分析し、分岐次数を抽出することで、IQI下でのシステムの信頼性スケーリングを明らかにする。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果を検証し、SNR、電力割り当て、チャネル fading を含む実際のIoT展開シナリオに一致するパラメータを設定する。
• 反射係数βがOPおよびIPに与える影響を評価し、干渉トレードオフの結果としてBDのOPに非単調な挙動が見られることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IQIは、AmBC-NOMAシステムにおける遠端ユーザー、近端ユーザー、およびバックスキャッタデバイス（BD）の中断確率（OP）にどのように影響するか？
• RQ2 IQIは盗聴確率（IP）にどのような影響を及ぼし、システムの物理層セキュリティにどのように影響するか？
• RQ3 反射係数βは、ユーザーおよびBDにおける信頼性（OP）とセキュリティ（IP）のトレードオフにどのように影響するか？
• RQ4 IQI下での高SNR領域におけるOPの分岐次数は何か？また、理想的な状態と比較してどうなるか？
• RQ5 BDはIQIに対してより感受性が高いにもかかわらず、なぜ他のユーザーと比較して優れた機密性性能を示すのか？

主な発見

• IQIは、特に高SNRにおいてSIC性能の低下により、遠端ユーザー、近端ユーザー、およびBDの信頼性を低下させ、OPが上昇することが示された。
• 信頼性の低下にもかかわらず、IQIは物理層セキュリティを向上させ、特に近端ユーザーおよびBDにおいて盗聴確率（IP）が低下していることが示された。
• バックスキャッタデバイス（BD）は、独自の信号受信および復調プロセスのおかげで、全ユーザーの中で最も優れた機密性性能を達成し、最低のIPを示した。
• BDのOPは反射係数βに対して非単調な傾向を示し、電力割り当てに応じてβ ≈ 0.12–0.14の付近で最小値を示すことが判明し、最適な反射設定が存在することが示された。
• 漸近的解析から、OPの分岐次数はIQI下で低下するが、依然として非ゼロの分岐ゲインを達成しており、高SNRにおけるシステムのレジリエンスが示された。
• 信頼性とセキュリティの根本的トレードオフが存在する：OPの許容閾値を緩和するとIP性能が向上し、逆にIP性能を高めるにはOPの許容値を厳しくする必要がある。特にIP対OPの平面比較において顕著に現れる。