[论文解读] Physical Layer Security of Intelligent Reflective Surface Aided NOMA Networks

Zhiqing Tang, Tianwei Hou+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 11

一句话总结

本文研究了智能反射面（IRS）辅助非正交多址（NOMA）网络中的物理层安全性能，推导了在Nakagami-m衰落信道下保密中断概率（SOP）和平均保密容量（ASC）的闭式表达式。结果表明，IRS的部署通过提升保密分集增益和实现高信噪比（SNR）斜率来增强安全性，随着IRS单元数量增加，SOP趋近于1。

ABSTRACT

Intelligent reflective surface (IRS) technology is emerging as a promising performance enhancement technique for next-generation wireless networks. Hence, we investigate the physical layer security of the downlink in IRS-aided non-orthogonal multiple access networks in the presence of an eavesdropper, where an IRS is deployed for enhancing the quality by assisting the cell-edge user to communicate with the base station. To characterize the network's performance, the expected value of the new channel statistics is derived for the reflected links in the case of Nakagami-m fading. Furthermore, the performance of the proposed network is evaluated both in terms of the secrecy outage probability (SOP) and the average secrecy capacity (ASC). The closed-form expressions of the SOP and the ASC are derived. We also study the impact of various network parameters on the overall performance of the network considered. To obtain further insights, the secrecy diversity orders and the high signal-to-noise ratio slopes are obtained. We finally show that: 1) the expectation of the channel gain in the reflected links is determined both by the number of IRSs and by the Nakagami-m fading parameters; 2) The SOP of both receiver 1 and receiver 2 becomes unity, when the number of IRSs is sufficiently high; 3) The secrecy diversity orders are affected both by the number of IRSs and by the Nakagami-m fading parameters, whereas the high-SNR slopes are not affected by these parameters. Our Monte-Carlo simulations perfectly demonstrate the analytical results.

研究动机与目标

• 解决在存在窃听者可能截获信号的IRS辅助NOMA网络中面临的物理层安全挑战。
• 分析IRS部署如何通过改善边缘用户信道质量来提升保密性能。
• 在Nakagami-m衰落信道下，推导关键保密性能指标——保密中断概率（SOP）和平均保密容量（ASC）的闭式表达式。
• 研究IRS参数（反射单元数量）和衰落严重程度对保密分集增益和高SNR行为的影响。

提出的方法

• 推导在Nakagami-m衰落信道下，IRS辅助NOMA系统中反射链路的期望信道增益，表明其依赖于IRS单元数量和衰落参数。
• 利用统计信道状态信息（CSI）建模合法用户和窃听者端到端的信干噪比（SINR）。
• 应用拉普拉斯变换技术和超几何函数，结合矩 generating 函数分析，推导SOP和ASC的闭式表达式。
• 采用高斯-拉盖尔求积法对窃听者的遍历保密速率进行数值近似，实现对保密性能的精确评估。
• 分析保密分集阶数和高SNR斜率，以表征渐近保密性能。
• 通过蒙特卡罗仿真验证理论结果，确认与理论推导完全一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Nakagami-m衰落信道下，IRS反射单元数量如何影响反射链路的期望信道增益？
• RQ2 IRS部署对NOMA网络中保密中断概率（SOP）和平均保密容量（ASC）有何影响？
• RQ3 Nakagami-m衰落参数如何影响IRS辅助NOMA系统中的保密分集阶数和高SNR斜率？
• RQ4 随着IRS单元数量增加，SOP和ASC的渐近行为如何？
• RQ5 在信道知识不完善条件下，IRS部署在多大程度上可增强NOMA网络的物理层安全性？

主要发现

• 反射链路的期望信道增益同时依赖于IRS单元数量和Nakagami-m衰落参数，IRS单元数量越多，信道质量越高。
• 随着IRS单元数量增加，两个用户的SOP均趋近于1，表明过度部署IRS可能因增加窃听机会而反而降低保密可靠性。
• 保密分集阶数受IRS单元数量和Nakagami-m衰落参数的共同影响，反映了系统在保密性能中对抗衰落的能力。
• 保密容量的高SNR斜率不受IRS单元数量或衰落参数的影响，表明在高SNR区域频谱效率增益存在根本性限制。
• 蒙特卡罗仿真验证了SOP和ASC推导的闭式表达式的准确性，证实了分析框架的有效性。
• 采用高斯-拉盖尔求积法对窃听者的遍历保密速率进行解析近似，实现了在低SNR条件下对保密性能的精确评估。