[論文レビュー] Energy Harvesting for Physical-Layer Security in OFDMA Networks

Meng Zhang, Yuan Liu|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、個々のユーザーの機密性レート要件を満たしつつエネルギー効率を最大化するため、下行OFDMAネットワークにおける共同サブキャリア割り当ておよびパワー分岐最適化フレームワークを提案する。すべてのサブキャリアに均一な比率でパワー分岐をモデル化することで、著者らは2つの近似最適アルゴリズム（反復的および2段階）を提案し、複雑さを低減しつつほぼ最適な性能を達成することを示した。

ABSTRACT

In this paper, we study the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in downlink multiuser orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) systems, where each user applies power splitting scheme to coordinate the energy harvesting and secrecy information decoding processes. Assuming equal power allocation across subcarriers, we formulate the problem to maximize the aggregate harvested power of all users while satisfying secrecy rate requirement of individual user by joint subcarrier allocation and optimal power splitting ratio selection. Due to the NP-hardness of the problem, we propose two suboptimal algorithms to solve the problem in the dual domain. The first one is an iterative algorithm that optimizes subcarrier allocation and power splitting in an alternating way. The second algorithm is based on a two-step approach that solves the subcarrier allocation and power splitting sequentially. The numerical results show that the proposed methods outperform conventional methods. It is also shown that the iterative algorithm performs close to the upper bound and the step-wise algorithm provides good tradeoffs between performance and complexity.

研究の動機と目的

• 共置型受信機を備えたマルチユーザーOFDMAシステムにおいて、物理層セキュリティとエネルギー効率の両立を同時に実現する課題に対処すること。
• 個々のユーザーの機密性レート制約を満たす条件下で、合計収集エネルギーを最大化する混合整数非線形計画問題を定式化すること。
• 問題のNP困難性を克服するため、2つの多項式時間の近似最適アルゴリズムを提案すること。
• 各ユーザーのすべてのサブキャリアに均一なパワー分岐比を適用することで、動的でないサブキャリアごとの分岐を避けることにより、実用的妥当性を確保すること。
• 実際のSWIPT-OFDMAシステムにおける性能と計算複雑度のトレードオフを評価すること。

提案手法

• 各ユーザーでパワー分岐が行われるダウンリンクマルチユーザーOFDMAネットワークとしてシステムをモデル化し、すべてのサブキャリアに同一のパワー分岐比を適用する。
• 各サブキャリアに等しいパワー割り当てを仮定し、個々の機密性レート制約下で集約収集パワーを最大化する最適化問題を定式化する。
• NP困難性に対処するため、ラグランジュスラックと部分勾配法を用いて元の問題を双対ドメイン問題に変換する。
• 双対分解を用いて、サブキャリア割り当てとパワー分岐比を交互に最適化する反復的アルゴリズムを提案する。
• まずサブキャリア割り当てを最適化し、その後双対変数に基づいて最適なパワー分岐比を決定する2段階アルゴリズムを開発する。
• ラグランジュアンの偏微分を用いて、最適パワー分岐比の閉形式表現を導出する。妥当性を保証するため、境界を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共置型受信機を備えたOFDMAネットワークにおいて、エネルギー効率と物理層セキュリティをどのように共同最適化できるか？
• RQ2 SWIPT-OFDMAシステムにおいて、従来手法と比較して、共同サブキャリア割り当てと均一パワー分岐の組み合わせによる性能向上はどの程度か？
• RQ3 反復的アルゴリズムと2段階アルゴリズムの性能および複雑度の観点での比較は？
• RQ4 提案された近似最適アルゴリズムは、理論的上限に近い性能を達成できるか？
• RQ5 すべてのサブキャリアに均一なパワー分岐比を適用することの、システムの機密性レートおよびエネルギー効率への影響は？

主な発見

• 反復的アルゴリズムは理論的上限に非常に近い性能を達成しており、ほぼ最適性を示している。
• 2段階アルゴリズムは、性能と計算複雑度の良好なトレードオフを提供しており、実用的導入に適している。
• 数値結果により、提案手法が収集エネルギーおよび機密性レート満足度の点で従来手法を上回ることが確認された。
• 最適パワー分岐比は、チャネル利得、パワー割り当て、および機密性レート制約に依存する閉形式で導出された。
• 双対ベースのアプローチにより収束性と多項式時間複雑度が保証され、部分勾配法の全体的な複雑度は𝒪(K^{q+1}N)である。
• 最適なサブキャリア割り当ては、収集パワーと機密性レートを組み合わせた指標を最大化することで決定され、共同最適化が保証された。