[論文レビュー] Covert Communication in Intelligent Reflecting Surface-Assisted NOMA Systems: Design, Analysis, and Optimization

Lu Lv, Qingqing Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、知能反射表面（IRS）の位相シフトの不確実性と一般ユーザーからの非直交多重アクセス（NOMA）伝送を活用して、コvert通信を実現する新しいIRS支援下り・上りNOMA方式を提案する。ウィリーの最小検出誤り確率の解析的表現を導出し、両方の技術（IRSおよびNOMA）を併用する場合にのみ正のコvertレートが達成可能であることを示す。また、不正検出の制約とQoS制約の下で、共同パワー制御およびビームフォーミング最適化によりコvertレートを最大化する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate covert communication in an intelligent reflecting surface (IRS)-assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) system, where a legitimate transmitter (Alice) applies NOMA for downlink and uplink transmissions with a covert user (Bob) and a public user (Roy) aided by an IRS. Specifically, we propose new IRS-assisted downlink and uplink NOMA schemes to hide the existence of Bob's covert transmission from a warden (Willie), which cost-effectively exploit the phase-shift uncertainty of the IRS and the non-orthogonal signal transmission of Roy as the cover medium without requiring additional uncertainty sources. Assuming the worst-case covert communication scenario where Willie can optimally adjust the detection threshold for his detector, we derive an analytical expression for the minimum average detection error probability of Willie achieved by each of the proposed schemes. To further enhance the covert communication performance, we propose to maximize the covert rates of Bob by jointly optimizing the transmit power and the IRS reflect beamforming, subject to given requirements on the covertness against Willie and the quality-of-service (QoS) at Roy. Simulation results demonstrate the covertness advantage of the proposed schemes and confirm the accuracy of the derived analytical results. Interestingly, it is found that covert communication is impossible without using IRS or NOMA for the considered setup while the proposed schemes can always guarantee positive covert rates.

研究の動機と目的

• IRS支援NOMAシステムにおいて、隠密ユーザー（ボブ）が監視者（ウィリー）から秘密に通信するのを可能にすること。
• 追加の不確実性源を用いずに、IRSの位相シフトの不確実性と一般ユーザー（ロイ）からの非直交伝送を自然なカバートラフィックとして活用すること。
• 最適しきい値検出下でのウィリーの最小平均検出誤り確率の解析的表現を導出すること。
• ウィリーの検出誤り確率がしきい値を上回り、ロイのQoSが満たされる制約のもとで、ボブのコvertレートを共同最適化により最大化すること。

提案手法

• IRSの位相シフト不確実性とロイの非直交信号をカバーメディアとして用いる、新しいIRS支援下り・上りNOMA方式を提案する。
• 正当な送信者（アリス）、隠密ユーザー（ボブ）、一般ユーザー（ロイ）、監視者（ウィリー）を含むシステムモデルを構築し、ウィリーが最適エネルギー検出を実行すると仮定する。
• 異なる検出しきい値条件下での信号対雑音比分布を分析し、ウィリーにおける最小平均検出誤り確率を導出する。
• ウィリーの検出誤り確率がしきい値を上回り、ロイのQoSが満たされる制約のもとで、ボブのコvertレートを最大化する共同最適化問題を定式化する。
• 非凸最適化問題を、パワー割り当てとビームフォーミング最適化を交互に繰り返す反復アルゴリズムで解く。
• アルゴリズムの収束性を証明し、シミュレーションにより解析的結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加の不確実性源を用いずに、IRS支援NOMAシステムでコvert通信を達成できるか？
• RQ2 最適しきい値検出下で、ウィリーが達成可能な最小検出誤り確率の解析的表現は何か？
• RQ3 IRSの位相シフト不確実性とNOMA伝送の組み合わせが、どのようにカバートラフィックの質を向上させるか？
• RQ4 コバートネス制約とQoS制約の下で、ボブが達成可能な最大コvertレートは何か？
• RQ5 本稿のシステムモデルにおいて、IRSとNOMAの両方を用いない場合、正のコvertレートを達成することは可能か？

主な発見

• 理論的およびシミュレーション結果により、本稿のシステム設定下では、IRSとNOMAの両方を用いない限り、コvert通信は不可能であることが確認された。
• 提案された方式は、IRSの位相シフト不確実性とロイのNOMA伝送をカバートラフィックとして活用することで、正のコvertレートを達成する。
• ウィリーにおける最小平均検出誤り確率は解析的に導出され、信号電力、路損失、および検出しきい値に依存する。
• 送信パワーとIRS反射ビームフォーミングの共同最適化により、コvertレートが著しく向上し、シミュレーション結果が解析的導出の正確性を裏付けた。
• 反復アルゴリズムは、コvertレートを単調に増加させる解に収束し、目的関数は上界で有界である。