[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种新型的IRS辅助下行链路和上行链路NOMA方案，通过利用智能反射面（IRS）的相位偏移不确定性以及来自公共用户（Roy）的非正交传输作为掩护流量，实现隐蔽通信。推导了Willie的最小检测错误概率的解析表达式，并表明只有当同时使用IRS和NOMA时，才能实现正的隐蔽速率；通过联合功率和波束成形优化，在满足隐蔽性和QoS约束条件下最大化隐蔽速率。

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.

研究动机与目标

• 在IRS辅助的NOMA系统中实现隐蔽通信，其中隐蔽用户（Bob）从监管者（Willie）处秘密传输。
• 利用IRS的相位偏移不确定性以及公共用户（Roy）的非正交传输作为自然掩护流量，无需额外的不确定性源。
• 推导在最优阈值检测下，Willie的最小平均检测错误概率的解析表达式。
• 通过联合优化发射功率和IRS反射波束成形，最大化Bob的隐蔽速率，同时满足隐蔽性和Roy的QoS约束。

提出的方法

• 提出新的IRS辅助下行链路和上行链路NOMA方案，利用IRS的相位偏移不确定性和Roy的非正交信号作为Bob隐蔽传输的掩护媒介。
• 建立系统模型，包含合法发射机（Alice）、隐蔽用户（Bob）、公共用户（Roy）和监管者（Willie），其中Willie执行最优能量检测。
• 通过分析不同检测阈值条件下信噪比的分布，推导出Willie的最小平均检测错误概率。
• 建立联合优化问题，以在确保Willie的检测错误概率高于阈值且满足Roy的QoS的前提下，最大化Bob的隐蔽速率。
• 采用迭代算法交替进行功率分配和波束成形优化，求解非凸优化问题。
• 证明了算法的收敛性，并通过仿真验证了分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRS辅助的NOMA系统中，是否可以在不引入额外不确定性源的情况下实现隐蔽通信？
• RQ2 在最优阈值检测下，Willie能够实现的最小检测错误概率的解析表达式是什么？
• RQ3 IRS相位偏移不确定性与NOMA传输的结合如何增强隐蔽性？
• RQ4 在满足隐蔽性和QoS约束条件下，Bob可实现的最大隐蔽速率是多少？
• RQ5 在所考虑的系统模型中，是否可能在不同时使用IRS和NOMA的情况下实现正的隐蔽速率？

主要发现

• 理论分析与仿真结果均表明，在所考虑的系统设置中，若不同时使用IRS和NOMA，则无法实现隐蔽通信。
• 所提出的方案通过利用IRS相位偏移不确定性和Roy的NOMA传输作为掩护流量，实现了正的隐蔽速率。
• Willie的最小平均检测错误概率被解析推导得出，其值取决于信号功率、路径损耗和检测阈值。
• 联合优化发射功率与IRS波束成形显著提升了隐蔽速率，仿真结果验证了分析推导的准确性。
• 迭代算法收敛至一个单调增加隐蔽速率的解，且目标函数值有上界。