[论文解读] Secrecy Analysis of Ambient Backscatter NOMA Systems under I/Q Imbalance

Xingwang Li, Mengle Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 11被引用 15

一句话总结

本文分析了在同相与 quadrature 相位不平衡（IQI）下，环境反向散射 NOMA 系统的保密性能，推导出中断概率（OP）和拦截概率（IP）的闭式表达式。结果表明，尽管 IQI 会降低系统可靠性，但反而增强了安全性，尤其对反向散射设备（BD）而言，由于其独特的信号解码过程和对反射系数的敏感性，其保密性能最佳。

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} .

研究动机与目标

• 研究同相与正 quadrature 相位不平衡（IQI）对环境反向散射非正交多址接入（AmBC-NOMA）系统可靠性与安全性的影响。
• 在考虑实际 IQI 限制的条件下，推导远端用户、近端用户和反向散射设备（BD）的中断概率（OP）与拦截概率（IP）的精确闭式表达式。
• 在高信噪比（SNR）下分析 OP 的渐近行为与分集增益，以理解 IQI 条件下系统可靠性的极限。
• 评估可靠性与物理层安全之间的权衡，特别是在存在窃听与 IQI 的情况下。
• 证明反向散射设备（BD）由于其信号解码机制和对反射系数 β 的敏感性，能够实现更优的保密性能。

提出的方法

• 使用幅度不平衡（σt, σr）与相位不平衡（φt, φr）对所有收发机射频前端建模 IQI，影响基带的发送与接收。
• 基于 Nakagami-m 衰落信道下端到端信干噪比（SINR）的累积分布函数（CDF），推导远端用户、近端用户与 BD 的 OP 与 IP 的闭式表达式。
• 在近端用户与 BD 处应用连续干扰消除（SIC），但 SIC 性能受 IQI 影响，尤其在近端用户解码链路中更为显著。
• 分析高 SNR 下 OP 的渐近行为，以提取分集增益，揭示系统在 IQI 条件下的可靠性扩展特性。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果，参数设置与真实物联网部署场景一致，包括 SNR、功率分配与信道衰落特性。
• 评估反射系数 β 对 OP 与 IP 的影响，结果表明 BD 的中断概率呈现非单调特性，源于干扰的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 IQI 如何影响 AmBC-NOMA 系统中远端用户、近端用户与反向散射设备（BD）的中断概率（OP）？
• RQ2 IQI 对拦截概率（IP）有何影响，其如何影响系统的物理层安全性？
• RQ3 反射系数 β 如何影响用户与 BD 的可靠性（OP）与安全性（IP）之间的权衡？
• RQ4 在高 SNR 条件下，IQI 条件下的 OP 分集增益是多少？与理想条件相比有何差异？
• RQ5 尽管 BD 对 IQI 更为敏感，为何其保密性能优于其他用户？

主要发现

• IQI 降低了远端用户、近端用户与 BD 的可靠性，表现为 OP 增大，尤其在高 SNR 时更为明显，原因在于 SIC 性能受损。
• 尽管降低了可靠性，IQI 反而增强了物理层安全性，表现为 IP 下降，尤其在近端用户与 BD 上更为显著。
• 反向散射设备（BD）在所有用户中实现了最佳保密性能，其 IP 最低，原因在于其独特的信号接收与解码机制。
• BD 的 OP 随反射系数 β 呈非单调变化，其最小值出现在 β ≈ 0.12–0.14 之间（取决于功率分配），表明存在最优反射设置。
• 渐近分析表明，IQI 条件下 OP 的分集增益虽被降低，但系统仍保持非零分集增益，表明在高 SNR 下具有一定的可靠性韧性。
• 可靠性与安全性之间存在根本性权衡：放宽 OP 阈值可提升 IP 性能，反之亦然，尤其在 IP 与 OP 的平面比较中表现明显。