[논문 리뷰] Secrecy Analysis of Ambient Backscatter NOMA Systems under I/Q Imbalance

Xingwang Li, Mengle Zhao외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 30.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 11인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 위상 일치 및 Quadrature 위상 불균형(IQI) 하에서 암시적 백스캐터링 NOMA 시스템의 기밀성 성능을 분석하며, 중단 확률(OP)과 유출 확률(IP)에 대한 폐쇄형 표현을 유도한다. 이는 IQI가 신뢰성은 악화시키지만, 특히 백스캐터링 장치(BD)의 경우 고유한 신호 복원 방식과 반사 계수 민감도로 인해 기밀성 성능이 가장 뛰어나다는 것을 보여준다.

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} .

연구 동기 및 목표

• 암시적 백스캐터링 비직교 다중접속(AMBC-NOMA) 시스템에서 위상 일치 및 직각 위상 불균형(IQI)이 신뢰성과 기밀성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실제 IQI 임피어먼트를 고려하여 원거리 사용자, 근거리 사용자 및 백스캐터링 장치(BD)에서 중단 확률(OP) 및 유출 확률(IP)에 대한 정확한 폐쇄형 표현을 유도하기 위해.
• 고신호대비잡음비(SNR)에서 OP의 점점 더 큰 행동을 분석하고, IQI 하에서 시스템의 신뢰성 한계를 이해하기 위해 다양도 순서를 분석하기 위해.
• 특히 탈취 공격과 IQI 존재 하에서, 신뢰성과 물리계층 기밀성 간의 상충 관계를 평가하기 위해.
• BD가 신호 복원 메커니즘과 반사 계수 β에 대한 민감도로 인해 다른 사용자들과 비교해 뛰어난 기밀성 성능를 달성한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 모든 송수신 RF 프론트엔드에서 진폭 및 위상 불균형(σt, σr, φt, φr)을 사용하여 IQI를 모델링하여 기저대역 전송 및 수신에 영향을 미친다.
• Nakagami-m fading 하에서 종단간 신호대간섭더하기잡음비(SINR)의 누적분포함수(CDF)를 사용하여 원거리 사용자, 근거리 사용자 및 BD에서 OP와 IP에 대한 폐쇄형 표현을 유도한다.
• 근거리 사용자 및 BD에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용하며, 특히 근거리 사용자 복원 체인에서 SIC 성능이 IQI로 인해 악화된다.
• 고SNR에서 OP의 점점 더 큰 행동을 분석하여 다양도 순서를 추출함으로써, IQI 하에서 시스템의 신뢰성 스케일링 특성을 밝혀낸다.
• 분석 결과의 정당성을 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하며, SNR, 전력 할당, 채널 페이딩을 고려한 실질적인 IoT 배치 시나리오에 맞추어 파rameter를 설정한다.
• 반사 계수 β가 OP 및 IP에 미치는 영향을 평가하며, 간섭의 상충 관계로 인해 BD의 중단 확률이 비단조적 행동을 보임을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IQI는 AmBC-NOMA 시스템에서 원거리 사용자, 근거리 사용자 및 백스캐터링 장치(BD)의 중단 확률(OP)에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 IQI는 유출 확률(IP)에 어떤 영향을 미치며, 이는 시스템의 물리계층 기밀성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 반사 계수 β는 사용자 및 BD의 신뢰성(OP)과 기밀성(IP) 간의 상충 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 IQI 하에서 고신호대비잡음비(SNR) 영역에서 OP의 다양도 순서는 무엇이며, 이상 조건과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ5 BD는 IQI에 더 민감함에도 불구하고 다른 사용자들과 비교해 왜 뛰어난 기밀성 성능를 보이는가?

주요 결과

• IQI로 인해 원거리 사용자, 근거리 사용자 및 BD의 신뢰성이 떨어지며, 특히 고SNR에서 SIC 성능이 저하되어 OP가 증가함에 따라 확인된다.
• 신뢰성 저하에도 불구하고 IQI는 기밀성 향상을 가져오며, 특히 근거리 사용자 및 BD에서 IP가 감소함으로써 확인된다.
• 백스캐터링 장치(BD)는 고유한 신호 수신 및 복원 방식으로 인해 모든 사용자 중에서 가장 뛰어난 기밀성 성능를 달성하며, IP가 가장 낮다.
• BD의 OP는 반사 계수 β에 따라 비단조적 경향을 보이며, 전력 할당에 따라 β ≈ 0.12–0.14에서 최소가 되며, 이는 최적의 반사 설정을 시사한다.
• 점점 더 큰 분석을 통해 OP의 다양도 순서가 IQI 하에서 감소하지만, 여전히 비영인 다양도 이득을 확보하고 있어 고SNR에서의 내구성을 보여준다.
• 신뢰성과 기밀성 간에 근본적인 상충 관계가 존재한다: OP 임계값을 완화하면 IP 성능이 향상되며, 반대로도 마찬가지이며, 특히 IP 대 OP 평면 비교에서 뚜렷하게 드러난다.