[論文レビュー] Artificial Noise Aided Secure Cognitive Beamforming for Cooperative MISO-NOMA Using SWIPT

Fuhui Zhou, Zheng Chu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、同時無線情報・電力伝送（SWIPT）を用いたセキュアな認知的無線MISO-NOMAネットワークにおける人工雑音支援型協調ビームフォーミング方式を提案する。非線形エネルギー回収モデルを採用し、機密性の高いデータレートおよびエネルギー回収の制約のもとで送信電力を最小化するため、SDRおよびコスト関数ベースのアルゴリズムを用いる。NOMAはOMAを上回り、コスト関数アプローチはSDRよりも低い電力消費を達成することが示された。

ABSTRACT

Cognitive radio (CR) and non-orthogonal multiple access (NOMA) have been deemed two promising technologies due to their potential to achieve high spectral efficiency and massive connectivity. This paper studies a multiple-input single-output NOMA CR network relying on simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) conceived for supporting a massive population of power limited battery-driven devices. In contrast to most of the existing works, which use an ideally linear energy harvesting model, this study applies a more practical non-linear energy harvesting model. In order to improve the security of the primary network, an artificial-noise-aided cooperative jamming scheme is proposed. The artificial-noise-aided beamforming design problems are investigated subject to the practical secrecy rate and energy harvesting constraints. Specifically, the transmission power minimization problems are formulated under both perfect channel state information (CSI) and the bounded CSI error model. The problems formulated are non-convex, hence they are challenging to solve. A pair of algorithms either using semidefinite relaxation (SDR) or a cost function are proposed for solving these problems. Our simulation results show that the proposed cooperative jamming scheme succeeds in establishing secure communications and NOMA is capable of outperforming the conventional orthogonal multiple access in terms of its power efficiency. Finally, we demonstrate that the cost function algorithm outperforms the SDR-based algorithm.

研究の動機と目的

• RF信号の放送特性により盗聴者が信号を傍受可能な、SWIPTに依存するNOMAベースの認知的無線ネットワークのセキュリティ脆弱性に対処すること。
• プライマリユーザーおよびセカンダリユーザーの両方の機密性の高いデータレートを確保するとともに、エネルギー回収受信機（EHRs）のエネルギー回収制約を満たすセキュアなビームフォーミング戦略の設計。
• 実用的な非線形エネルギー回収および不完全なチャネル状態情報（CSI）を想定した、複数入力単一出力（MISO）NOMA認知的無線ネットワークにおける総送信電力の最小化。
• 機密性の高いデータレートおよびエネルギー回収制約に起因する困難な非凸最適化問題を効率的に解くためのアルゴリズムの開発。

提案手法

• 盗聴者チャネルの劣化を図りつつプライマリユーザーの機密性を保護するため、人工雑音支援型協調ジャミング方式を提案することで物理層セキュリティを強化する。
• 従来の研究で一般的に用いられる理想的な線形モデルとは異なり、実用的な非線形エネルギー回収モデルを用いてEHRにおけるエネルギー回収をモデル化する。
• プライマリおよびセカンダリユーザーの機密性の高いデータレート制約およびEHRにおける最小エネルギー回収量制約のもとで送信電力最小化問題を定式化する。
• 非凸最適化問題を解くために、半定値緩和（SDR）およびコスト関数ベースのアルゴリズムの2つのアプローチを用いる。収束性および性能の向上を目的とする。
• チャネル不確実性を評価するため、完全なCSIおよび有界なCSI誤差モデルを両方考慮する。
• 電力領域における多重アクセスを可能にするために、受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を採用し、重ね合わせられたNOMA信号を復調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SWIPT対応MISO-NOMA認知的無線ネットワークにおいて、人工雑音支援型協調ジャミングは、プライマリユーザーの機密性の高いデータレートを効果的に向上させ得るか？
• RQ2 非線形エネルギー回収モデルの使用は、SWIPT対応NOMA CRNにおけるセキュアビームフォーミングの設計および性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 エネルギーと機密性の両方の制約下で、NOMAは従来の直交多重アクセス（OMA）に比べて、電力効率および機密性の高いデータレートにおいてどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ4 完全なCSIおよび不完全なCSIの下で、SDRベースとコスト関数ベースのアルゴリズムは、非凸ビームフォーミング最適化問題をどのように比較して解くか？

主な発見

• 提案された人工雑音支援型協調ジャミング方式は、非協力的アプローチと比較して、目標とする機密性の高いデータレートを達成するための送信電力を顕著に低減した。
• TDMAと比較してNOMAは電力効率が優れており、同じ機密性の高いデータレートおよびエネルギー回収制約を満たすためにより低い送信電力を要する。
• コスト関数ベースのアルゴリズムはSDRベースのアルゴリズムよりも低い最小送信電力を達成し、電力最小化において優れた性能を示した。
• 不完全なCSI下でも、完全なCSIと比較して必要な送信電力は増加するが、提案方式は機密性およびエネルギー回収制約を維持する上で依然として有効であった。
• 両アルゴリズムとも収束までの反復回数は少なく、計算効率が確認されたが、コスト関数ベースのアルゴリズムはより高い複雑性のため反復回数が多かった。
• EHRにおけるエネルギー回収要件が高くなるほど最小送信電力が増加し、エネルギー配分とスペクトル効率のトレードオフが明確に確認された。