[논문 리뷰] Hardware Impaired Ambient Backscatter NOMA Systems: Reliability and Security

Xingwang Li, Mengle Zhao외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 13.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 39인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 실제 하드웨어 결함, 채널 추정 오차, 완벽하지 않은 순차적 인터패턴 제거 조건 하에서 앰비언트 백스캐터링 NOMA 시스템의 물리계층 보안을 조사한다. 보안을 향상시키기 위해 인공 노이즈 방식을 제안하며, 중단 확률과 탈취 확률에 대한 분석적 표현을 유도하고, 신뢰성과 보안 사이의 상충 관계가 전력 제어를 통해 최적화될 수 있음을 밝힌다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) and ambient backscatter communication have been envisioned as two promising technologies for the Internet-of-things due to their high spectral efficiency and energy efficiency. Motivated by this fact, we consider an ambient backscatter NOMA system in the presence of a malicious eavesdropper. Under some realistic assumptions of residual hardware impairments (RHIs), channel estimation errors (CEEs) and imperfect successive interference cancellation (ipSIC), we investigate the physical layer security (PLS) of the ambient backscatter NOMA systems focusing on reliability and security. In order to further improve the security of the considered system, an artificial noise scheme is proposed where the radio frequency (RF) source acts as a jammer that transmits interference signal to the legitimate receivers and eavesdropper. On this basis, the analytical expressions for the outage probability (OP) and the intercept probability (IP) are derived. To gain more insights, the asymptotic analysis and diversity orders for the OP in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime are carried out, and the asymptotic behaviors of the IP in the high main-to-eavesdropper ratio (MER) region are explored as well. Numerical results show that: 1) RHIs, CEEs and ipSIC have negative effects on the OP but positive effects on the IP; 2) Compared with CEEs, RHIs have a more serious impact on the reliability and security of the considered system; 3) There exists a trade-off between reliability and security, and this trade-off can be optimized by reducing the power coefficient of the artificial noise or increasing the interfering factor of readers; 4) There are error floors for the OP due to the CEEs and the reflection coefficient; 5) As MER grows large, the security for Rnand Rf is improved, while the security for T is reduced.

연구 동기 및 목표

• 잔류 하드웨어 결함 및 완벽하지 않은 신호 검출과 같은 현실적인 비이상 조건 하에서 앰비언트 백스캐터링 NOMA 시스템의 물리계층 보안 분석 부족 문제를 해결하기 위해.
• 잔류 하드웨어 결함(RHIs), 채널 추정 오차(CEEs), 완벽하지 않은 순차적 인터패턴 제거(ipSIC)가 시스템의 신뢰성과 보안에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• RF 소스가 정상 사용자 성능을 유지하면서도 탈취자 수신을 악화시키기 위해 간섭 신호를 정상 사용자 및 탈취자 모두에게 전송하는 인공 노이즈 방식을 제안하기 위해.
• 비이상 조건 하에서 중단 확률(OP)과 탈취 확률(IP)에 대한 폐쇄형 표현을 유도하기 위해.
• 고신호 대 잡음비(SNR) 및 고메인 대 탈취자 비율(MER) 영역에서 OP와 IP의 점점 더 깊은 시스템 통찰을 제공하기 위한 점점 더 높은 SNR 및 MER 영역에서의 점근적 행동을 분석하기 위해.

제안 방법

• 잔류 하드웨어 결함(RHIs), 채널 추정 오차(CEEs), 완벽하지 않은 순차적 인터패턴 제거(ipSIC)가 있는 앰비언트 백스캐터링 NOMA 시스템에서 중단 확률(OP)과 탈취 확률(IP)에 대한 정확한 분석적 표현을 유도한다.
• RF 소스가 정상 사용자와 탈취자 모두에게 간섭 신호를 전송하여 보안을 향상시키는 인공 노이즈 방식을 제안하며, 목적지 통신 품질을 저하시키지 않도록 한다.
• 다중 fading 채널 환경에서의 종단 간 신호 대 간섭 더하기 잡음비(SINR) 분포를 모델링하기 위해 Meijer G-함수와 수정형 Bessel 함수(K₀)를 활용한다.
• 고신호 대 잡음비(SNR)에서 OP의 다양도 순서를 유도하고, 고MER 영역에서 IP의 점근적 행동을 분석하여 장기적 보안 성능 평가를 수행한다.
• IP 및 OP 유도 과정에서 발생하는 복잡한 적분의 수치 근사를 위해 가우스-체비셰프 적분법을 활용한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하며, 이상적 조건과 비이상적 조건의 시스템 조건을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잔류 하드웨어 결함(RHIs), 채널 추정 오차(CEEs), 완벽하지 않은 순차적 인터패턴 제거(ipSIC)는 앰비언트 백스캐터링 NOMA 시스템의 중단 확률(OP)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이러한 비이상적 요소들이 탈취 확률(IP)에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 물리계층 보안 성능를 나타내는가?
• RQ3 제안된 인공 노이즈 방식은 탈취자 존재 조건 하에서 보안을 어떻게 향상시키며, 동시에 신뢰성을 유지하는가?
• RQ4 신뢰성(OP)과 보안(IP) 사이의 상충 관계는 무엇이며, 전력 제어 또는 간섭 형상 조절을 통해 최적화될 수 있는가?
• RQ5 고신호 대 잡음비(SNR) 및 고메인 대 탈취자 비율(MER) 영역에서 OP와 IP의 점근적 행동은 어떠하며, 이는 시스템 설계에 어떤 통찰을 제공하는가?

주요 결과

• 잔류 하드웨어 결함(RHIs), 채널 추정 오차(CEEs), 완벽하지 않은 순차적 인터패턴 제거(ipSIC)는 시스템의 신뢰성(중단 확률 증가)을 떨어뜨리지만 보안(탈취 확률 증가)을 향상시켜, 기대와는 반대로 작용하는 상충 관계를 나타낸다.
• RHIs는 CEEs보다 둘 다에 더 심각한 부정적 영향을 미치며, 실질적 구현에서 주요 결함 요소로 작용한다.
• 신뢰성과 보안 사이에 기본적인 상충 관계가 존재하며, 이는 인공 노이즈 전력 계수를 감소시키거나 수신기에서 간섭 요소를 증가시킴으로써 최적화될 수 있다.
• 중단 확률(OP)은 채널 추정 오차와 반사 계수의 병합 효과로 인해 오류 플로어를 나타내며, 이는 고신호 대 잡음비(SNR)에서도 성능 제한을 초래한다.
• 메인 대 탈취자 전력 비율(MER)이 증가함에 따라 근접 사용자(Rₙ)와 원거리 사용자(R_f)의 보안은 향상되지만, 송신기(T)의 보안은 악화되어 비대칭적인 보안 행동을 나타낸다.
• 점근적 분석은 OP의 다양도 순서가 채널 체인의 가장 약한 연결부에 의해 결정되며, 고신호 대 잡음비 영역에서 탈취 확률(IP)이 MER에 따라 지수적으로 감소함을 확인한다.