[论文解读] Secure Beamforming in MISO NOMA Backscatter Device Aided Symbiotic Radio Networks

Yiqing Li, Miao Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 12被引用 23

一句话总结

本文提出了一种用于MISO NOMA反向散射设备辅助共生无线电网络的安全波束成形方案，旨在最大化从反向散射设备（BD）到中心用户的$ε$-中断保密速率，同时确保基站对传输的保密速率约束。通过使用带有特征值分解（EVD）和秩一松弛的约束凸-凹程序（CCCP），该算法实现的保密速率区域显著大于正交多址接入（OMA）网络。

ABSTRACT

Symbiotic radio (SR) networks are possible solutions to the future low-power wireless communications for massive Internet of Things devices. In this paper, we investigate a multiple-input-single-output non-orthogonal multiple access (NOMA) backscatter device (BD) aided SR network with a potential eavesdropper. In the network, a base station (BS) broadcasts signals to a central user and a cell-edge user using the NOMA protocol. With ambient backscatter modulation, the BD transmits its own messages to the central user over incident signals from the BS. We propose a constrained concave convex procedure-based algorithm which maximizes the $ε$-outage secrecy rate from the BD to the central user under the achievable secrecy rate constraints from the BS to the central and cell-edge users. Simulation results illustrate that our proposed network achieves a much larger secrecy rate region than the orthogonal multiple access (OMA) network.

研究动机与目标

• 解决反向散射设备辅助的共生无线电网络中的物理层安全问题，存在潜在窃听者。
• 在确保基站对中心用户和小区边缘用户传输的保密速率约束下，最大化从BD到中心用户的$ε$-中断保密速率。
• 设计一种波束成形策略，以在低功耗、大规模物联网环境中实现可靠且安全的通信。
• 在保密速率性能方面优于传统的基于OMA的SR网络。

提出的方法

• 针对BD到基站（BS）通信，建立带有$ε$-中断概率约束的保密速率最大化问题。
• 利用特征值分解（EVD）将非凸的$ε$-中断约束转化为两个等价的DC（凸函数之差）约束。
• 采用秩一松弛方法处理波束成形设计问题中的非凸性。
• 采用约束凸-凹程序（CCCP）迭代求解一系列凸半定规划（SDP）。
• 在中心用户处采用连续干扰 cancellation（SIC）技术，按顺序解调来自基站和反向散射设备的信号。
• 应用秩一分解方法，从松弛的SDP解中恢复可行的波束成形向量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在潜在窃听者的MISO NOMA反向散射设备辅助共生无线电网络中，如何设计安全波束成形？
• RQ2 在中断约束下，此类网络中保密速率与可靠性的最优权衡是什么？
• RQ3 反向散射设备的反射系数如何影响保密速率性能？
• RQ4 基于NOMA的SR网络能否实现优于基于OMA的对应网络的保密速率区域？
• RQ5 反向散射信号的干扰对主用户解调性能有何影响？

主要发现

• 在各种保密速率约束下，所提算法约在12次迭代内收敛，表现出稳健的收敛特性。
• 仿真结果验证了基于NOMA的SR网络相比基于OMA的网络实现了显著更大的保密速率区域。
• 存在一个最优反射系数$α$，可使$ε$-中断保密速率最大化；超过该值后，性能可能因干扰增加而下降。
• 当$α$较小时，增大$α$可提升保密速率，但过大的$α$会导致基站直接链路干扰增加，从而降低性能。
• 保密速率区域对基站对中心用户和小区边缘用户传输的可实现保密速率约束较为敏感。