[论文解读] I/Q Imbalance Aware Nonlinear Wireless-Powered Relaying of B5G Networks: Security and Reliability Analysis

Xingwang Li, Mengyan Huang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 45被引用 10

一句话总结

本文提出了一种针对B5G网络的可靠且安全的非线性能量采集解码转发中继方案，考虑了I/Q不平衡、信道估计误差以及非线性能量采集的影响。推导了中断概率和泄密概率的闭式表达式，表明中继选择可提升性能，同时揭示了可靠性和安全性之间的权衡。

ABSTRACT

Physical layer security is known as a promising paradigm to ensure security for the beyond 5G (B5G) networks in the presence of eavesdroppers. In this paper, we elaborate on a tractable analysis framework to evaluate the reliability and security of wireless-powered decode-and-forward (DF) multi-relay networks. The nonlinear energy harvesters, in-phase and quadrature-phase imbalance (IQI) and channel estimation errors (CEEs) are taken into account in the considered system. To further improve the secure performance, two relay selection strategies are presented: 1) suboptimal relay selection (SRS); 2) optimal relay selection (ORS). Specifically, exact analytical expressions for the outage probability (OP) and the intercept probability (IP) are derived in closed-form. For the IP, we consider that the eavesdropper can wiretap the signal from the source or the relay. In order to obtain more useful insights, we carry out the asymptotic analysis and diversity orders for the OP in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime under non-ideal and ideal conditions. Numerical results show that: 1) Although the mismatches of amplitude/phase of transmitter (TX)/receiver (RX) limit the OP performance, it can enhance IP performance; 2) Large number of relays yields better OP performance; 3) There are error floors for the OP because of the CEEs; 4) There is a trade-off for the OP and IO to obtain the balance between reliability and security.

研究动机与目标

• 解决在能量受限中继的B5G网络中确保物理层安全性的挑战。
• 在中继系统中建立I/Q不平衡、信道估计误差和非线性能量采集等实际损伤的模型。
• 提出并分析两种中继选择策略——次优和最优策略，以同时提升可靠性和安全性。
• 在非理想硬件条件下，提供中断概率和泄密概率的可处理解析表达式。
• 研究高信噪比（SNR）区域下的分集阶数和渐近行为，以理解系统性能极限。

提出的方法

• 构建一个采用多中继的无线供电解码转发中继系统，并引入非线性能量采集模型。
• 将发射端和接收端的I/Q不平衡建模为影响信号传输的幅度失配和相位失配。
• 引入信道估计误差（CEEs），以反映实际系统中CSI的不完美性。
• 利用统计信道模型，推导出中断概率（OP）和泄密概率（IP）的精确闭式表达式。
• 提出两种中继选择策略：基于链路质量的次优中继选择（SRS）和最大化端到端SNR的最优中继选择（ORS）。
• 在高SNR区域进行渐近分析，推导分集阶数，并研究由CEEs引起的误码地板。

实验结果

研究问题

• RQ1 I/Q不平衡和信道估计误差如何影响无线供电B5G中继网络中的中断概率和泄密概率？
• RQ2 非线性能量采集对解码转发中继系统的可靠性和安全性性能有何影响？
• RQ3 次优和最优中继选择策略在中断概率和泄密概率方面有何比较差异？
• RQ4 在非理想硬件条件下，系统的分集阶数是多少？是否因信道估计误差而出现误码地板？
• RQ5 此类系统中，可靠性（中断性能）与安全性（泄密概率）之间是否存在根本性权衡？

主要发现

• I/Q不平衡因信号失真而降低中断性能，但会提高泄密概率，表明可靠性和安全性之间存在权衡。
• 大量中继显著改善了中断性能，通过提升中继选择分集增益实现。
• 信道估计误差在中断概率中引入了误码地板，即使在高SNR下也限制了性能。
• 系统在中断概率与泄密概率之间表现出权衡关系，即优化其一可能损害另一方。
• 渐近分析表明，分集阶数受信道估计误差限制，而I/Q不平衡在高SNR区域影响分集增益。
• 推导出了中断概率和泄密概率的闭式表达式，使得在真实硬件损伤条件下能够高效评估性能并进行系统设计。