[論文レビュー] Secure Beamforming in MISO NOMA Backscatter Device Aided Symbiotic Radio Networks

Yiqing Li, Miao Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 12被引用数 23

ひとこと要約

本稿は、盗聴者を伴うMISO NOMAバックスキャター機器支援共生無線ネットワークにおけるセキュアビームフォーミング方式を提案し、基地局（BS）の送信に対する秘匿性レート制約を満たしつつ、バックスキャター機器（BD）から中央ユーザーへの$ε$-アウトージュ秘匿性レートを最大化することを目的としている。特徴値分解（EVD）とランク1リラクゼーションを用いた制約付き凹凸凸法（CCCP）により、従来の多重アクセス（OMA）ネットワークと比較して著しく広い秘匿性レート領域が達成される。

ABSTRACT

Symbiotic radio (SR) networks are possible solutions to the future low-power wireless communications for massive Internet of Things devices. In this paper, we investigate a multiple-input-single-output non-orthogonal multiple access (NOMA) backscatter device (BD) aided SR network with a potential eavesdropper. In the network, a base station (BS) broadcasts signals to a central user and a cell-edge user using the NOMA protocol. With ambient backscatter modulation, the BD transmits its own messages to the central user over incident signals from the BS. We propose a constrained concave convex procedure-based algorithm which maximizes the $ε$-outage secrecy rate from the BD to the central user under the achievable secrecy rate constraints from the BS to the central and cell-edge users. Simulation results illustrate that our proposed network achieves a much larger secrecy rate region than the orthogonal multiple access (OMA) network.

研究の動機と目的

• 盗聴者が存在する可能性のあるバックスキャター機器支援共生無線ネットワークにおける物理層セキュリティを解決すること。
• 基地局の送信に対する中央ユーザーおよびセルエッジユーザーへの秘匿性レート制約を満たしつつ、BDから中央ユーザーへの$ε$-アウトージュ秘匿性レートを最大化すること。
• 低消費電力で大規模なIoT環境において、信頼性とセキュリティを確保するビームフォーミング戦略を設計すること。
• 従来のOMAベースのSRネットワークと比較して、秘匿性レート性能において優れるようにすること。

提案手法

• BDからBSへの通信における$ε$-アウトージュ確率制約を有する秘匿性レート最大化問題を定式化する。
• 特徴値分解（EVD）を用いて、非凸な$ε$-アウトージュ制約を2つの等価なDC（凸関数の差）制約に変換する。
• 非凸なビームフォーミング設計問題に対処するため、ランク1リラクゼーションを適用する。
• 制約付き凹凸凸法（CCCP）を用いて、逐次的に凸半定値計画問題（SDP）を解く。
• 中央ユーザーにおいて、基地局とバックスキャター機器からの信号を順次干渉キャンセレーション（SIC）により復調する。
• リラクゼーションされたSDP解から妥当なビームフォーミングベクトルを回復するために、ランク1分解を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者が存在する可能性のあるMISO NOMAバックスキャター機器支援共生無線ネットワークにおけるセキュアビームフォーミングは、どのように設計できるか？
• RQ2 アウトージュ制約下で、このようなネットワークにおける秘匿性レートと信頼性の最適なトレードオフは何か？
• RQ3 バックスキャター機器の反射係数が秘匿性レート性能に与える影響は何か？
• RQ4 NOMAベースのSRネットワークは、OMAベースのネットワークと比較してより優れた秘匿性レート領域を達成できるか？
• RQ5 バックスキャター信号からの干渉は、プライマリユーザーの復調性能にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、さまざまな秘匿性レート制約下で約12イテレーションで収束し、堅牢な収束特性を示している。
• シミュレーション結果により、OMAベースのネットワークと比較して、NOMAベースのSRネットワークが著しく広い秘匿性レート領域を達成していることが検証された。
• $ε$-アウトージュ秘匿性レートを最大にする最適な反射係数$α$が存在するが、この値を超えると干渉増加により性能が劣化する可能性がある。
• αが小さい場合、αの増加により秘匿性レートが向上するが、過剰なαは基地局からの直接リンクへの干渉増加により性能を劣化させる。
• 秘匿性レート領域は、基地局が中央ユーザーおよびセルエッジユーザーに送信する際の達成可能な秘匿性レート制約に敏感である。