[论文解读] Hardware Impaired Ambient Backscatter NOMA Systems: Reliability and Security

Xingwang Li, Mengle Zhao+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 39被引用 11

一句话总结

本文研究了在实际硬件损伤、信道估计误差和非完美逐次干扰 cancellation（SIC）条件下的环境反向散射 NOMA 系统中的物理层安全性能。提出了一种人工噪声方案以增强安全性，推导了中断概率和窃听概率的解析表达式，并揭示了可靠性和安全性之间的权衡关系，该关系可通过功率控制进行优化。

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.

研究动机与目标

• 为解决在存在残余硬件损伤和非完美信号检测等实际非理想条件下，环境反向散射 NOMA 系统中物理层安全分析的缺失问题。
• 研究残余硬件损伤（RHIs）、信道估计误差（CEEs）和非完美逐次干扰取消（ipSIC）对系统可靠性与安全性的影响。
• 提出一种人工噪声方案，其中射频源作为干扰器，通过降低窃听者接收质量来提升安全性，同时保持合法用户通信性能不受影响。
• 在非理想条件下，推导中断概率（OP）和窃听概率（IP）的闭式表达式。
• 分析在高信噪比（SNR）和高主用户到窃听者功率比（MER）区域下，OP 和 IP 的渐近行为，以获得更深入的系统洞察。

提出的方法

• 推导了在存在残余硬件损伤（RHIs）、信道估计误差（CEEs）和非完美逐次干扰取消（ipSIC）的环境反向散射 NOMA 系统中，中断概率（OP）和窃听概率（IP）的精确解析表达式。
• 提出一种人工噪声方案，其中射频源向合法用户和窃听者同时传输干扰信号，从而在不损害正常通信的前提下提升安全性。
• 利用梅杰 G-函数和修正贝塞尔函数（K₀）来建模在多 fading 信道存在下的端到端信干噪比（SINR）分布。
• 应用渐近分析，推导高 SNR 下 OP 的分集增益，并研究高 MER 下 IP 的渐近行为，以评估长期安全性表现。
• 采用高斯-切比雪夫求积法对 IP 和 OP 推导过程中出现的复杂数值积分进行近似计算。
• 通过数值仿真验证了理论分析结果，对比了理想与非理想系统条件下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 残余硬件损伤（RHIs）、信道估计误差（CEEs）和非完美逐次干扰取消（ipSIC）如何影响环境反向散射 NOMA 系统中的中断概率（OP）？
• RQ2 这些非理想因素对窃听概率（IP）有何影响，从而反映物理层安全性能？
• RQ3 所提出的人工噪声方案如何在存在窃听者的情况下提升安全性，同时保持可靠性？
• RQ4 可靠性（OP）与安全性（IP）之间存在何种权衡关系？该权衡能否通过功率控制或干扰整形进行优化？
• RQ5 在高 SNR 和高 MER 区域下，OP 和 IP 的渐近行为如何？这些行为为系统设计提供了哪些启示？

主要发现

• 残余硬件损伤（RHIs）、信道估计误差（CEEs）和非完美逐次干扰取消（ipSIC）会降低系统可靠性（提高 OP），但同时提升安全性（提高 IP），表明存在一种反直觉的权衡关系。
• 与 CEEs 相比，RHIs 对可靠性和安全性的影响更为严重，使其成为实际部署中占主导地位的损伤因素。
• 可靠性与安全性之间存在根本性权衡，该权衡可通过降低人工噪声功率系数或增加接收端的干扰因子来优化。
• 由于信道估计误差和反射系数的共同影响，中断概率（OP）表现出误码地板，即使在高 SNR 下性能也受到限制。
• 随着主用户到窃听者功率比（MER）的增加，近用户（Rₙ）和远用户（R_f）的安全性提升，但发射端（T）的安全性下降，表明存在非对称的安全行为。
• 渐近分析结果表明，OP 的分集增益由信道链路中最弱的环节决定，且在高 SNR 区域下，窃听概率（IP）随 MER 呈指数衰减。