[논문 리뷰] I/Q Imbalance Aware Nonlinear Wireless-Powered Relaying of B5G Networks: Security and Reliability Analysis

Xingwang Li, Mengyan Huang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 06.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 45인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 I/Q 불균형, 채널 추정 오차, 비선형 에너지 수확을 고려한 B5G 네트워크를 위한 안전하고 신뢰할 수 있는 비선형 에너지 수확 디코딩 앤 포워딩 중계 기법을 제안한다. 비상태 확률 및 탈취 확률에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도하여, 중계 선택이 성능을 향상시키지만 신뢰성과 보안성 사이에 상충 관계가 있음을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 중계를 갖는 B5G 네트워크에서 물리계층 보안을 확보하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 중계 시스템에서 실제 손상 요소인 I/Q 불균형, 채널 추정 오차, 비선형 에너지 수확을 모델링한다.
• 신뢰성과 보안성을 향상시키기 위해 두 가지 중계 선택 전략—부적절 최적화 전략과 최적 전략—을 개발하고 분석한다.
• 비이상적인 하드웨어 조건 하에서 비상태 확률 및 탈취 확률에 대한 해석 가능한 해석 수식을 제공한다.
• 고신호대노이즈비(SNR) 영역에서의 분산 순서 및 점점 가까워지는 행동을 조사하여 시스템 성능 한계를 이해한다.

제안 방법

• 다중 중계를 포함한 무선 구동 디코딩 앤 포워딩 중계 시스템을 수립하고, 비선형 에너지 수확 모델을 통합한다.
• 송신기 및 수신기에서의 I/Q 불균형을 진폭 및 위상 불일치로 모델링하여 신호 전송에 영향을 미친다.
• 실제 시스템에서의 불완전한 채널 상태 정보(CSI)를 반영하기 위해 채널 추정 오차(CEEs)를 통합한다.
• 통계적 채널 모델을 사용하여 비상태 확률(OP) 및 탈취 확률(IP)에 대한 정확한 닫힌 형태 수식을 유도한다.
• 두 가지 중계 선택 전략을 제안한다: 링크 품질 기반의 부적절 최적화 중계 선택(SRS)과 종단 간 신호대노이즈비를 최대화하는 최적 중계 선택(ORS).
• 고신호대노이즈비 영역에서의 점점 가까워지는 분석을 수행하여 분산 순서를 유도하고, CEEs로 인한 오차 평면의 존재 여부를 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 I/Q 불균형과 채널 추정 오차는 무선 구동 B5G 중계 네트워크에서 비상태 확률과 탈취 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비선형 에너지 수확은 디코딩 앤 포워딩 중계 시스템의 신뢰성과 보안 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비적절 최적화 및 최적 중계 선택 전략은 비상태 및 탈취 확률 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 비이상적인 하드웨어 조건 하에서 시스템의 분산 순서는 무엇이며, 채널 추정 오차로 인해 오차 평면이 발생하는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 신뢰성(비상태 성능)과 보안성(탈취 확률) 사이에 기본적인 상충 관계가 존재하는가?

주요 결과

• I/Q 불균형은 신호 왜곡으로 인해 비상태 성능을 악화시키지만, 탈취 확률을 향상시켜 신뢰성과 보안성 사이의 상충 관계를 드러낸다.
• 많은 수의 중계는 더 나은 중계 선택 다양성을 가능하게 하여 비상태 성능을 크게 향상시킨다.
• 채널 추정 오차는 고신호대노이즈비 영역에서 비상태 확률에 오차 평면을 유도하여 성능을 제한한다.
• 시스템은 비상태 확률과 탈취 확률 사이에 상충 관계를 보이며, 이는 한쪽을 최적화하면 다른 쪽이 악화될 수 있음을 의미한다.
• 점점 가까워지는 분석을 통해 분산 순서가 채널 추정 오차에 의해 제한되며, I/Q 불균형은 고신호대노이즈비 영역에서 분산 이득에 영향을 준다는 것이 확인된다.
• 비상태 확률 및 탈취 확률에 대한 닫힌 형태 수식을 유도하여, 현실적인 하드웨어 손상 조건 하에서 효율적인 성능 평가 및 시스템 설계가 가능해졌다.