[論文レビュー] Multi-Objective Beamforming for Secure Communication in Systems with Wireless Information and Power Transfer

Derrick Wing Kwan Ng, Lin Xiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、同時無線情報および電力伝送（SWIPT）を伴うセキュアなMISOダウンリンクシステムにおける、多重目的のビームフォーミング設計を提案する。秘密性の制約のもとで、送信パワーの最小化とエネルギー効率の最大化を同時に最適化する。解法は人工ノイズを用いて二重目的の伝送を実現し、証明可能なランク1構造を有する半定値計画法（SDP）緩和を用いて近似的最適性能を達成するとともに、計算量を低減するための準最適手法も提案する。

ABSTRACT

In this paper, we study power allocation for secure communication in a multiuser multiple-input single-output (MISO) downlink system with simultaneous wireless information and power transfer. The receivers are able to harvest energy from the radio frequency when they are idle. We propose a multi-objective optimization problem for power allocation algorithm design which incorporates two conflicting system objectives: total transmit power minimization and energy harvesting efficiency maximization. The proposed problem formulation takes into account a quality of service (QoS) requirement for the system secrecy capacity. Our designs advocate the dual use of artificial noise in providing secure communication and facilitating efficient energy harvesting. The multi-objective optimization problem is non-convex and is solved by a semidefinite programming (SDP) relaxation approach which results in an approximate of solution. A sufficient condition for the global optimal solution is revealed and the accuracy of the approximation is examined. To strike a balance between computational complexity and system performance, we propose two suboptimal power allocation schemes. Numerical results not only demonstrate the excellent performance of the proposed suboptimal schemes compared to baseline schemes, but also unveil an interesting trade-off between energy harvesting efficiency and total transmit power.

研究の動機と目的

• 複数ユーザーを対象としたMISOシステムにおける、送信パワーの最小化とエネルギー効率の最大化のトレードオフを解消すること。この際、無線情報および電力伝送（SWIPT）を考慮する。
• 盗聴受信機からの盗聴を想定し、正当なユーザーの秘密性レート制約を満たすことで、物理層セキュリティを確保すること。
• 人工ノイズを活用し、二重の機能を実現すること：盗聴受信機のチャネルを劣化させるとともに、正当な受信機におけるエネルギー効率を向上させること。
• 非凸な多重目的最適化問題に対して、半定値計画法（SDP）緩和を用いて計算的に実行可能な解法を開発すること。
• 計算負荷を低減しつつ高い性能を維持する低複雑度の準最適手法を提案すること。

提案手法

• 秘密性レート制約のもとで、送信パワーの最小化とエネルギー効率の最大化をバランスさせる非凸な多重目的最適化問題を定式化する。
• 盗聴チャネルの劣化と、アイドル受信機におけるエネルギー効率の向上を同時に達成するため、人工ノイズ伝送を導入する。
• 元の問題を半定値計画法（SDP）緩和により変換し、凸最適化ツールを用いて解ける凸形式に変換する。
• 緩和されたSDP定式化のもとで、最適ビームフォーミング行列がランク1であることを証明することで、最適性の十分条件を導出する。
• 緩和解に基づく2つの準最適なパワー割り当て手法を提案し、複雑さと性能のトレードオフを実現する。
• 補完性の条件とKKT条件を用いて最適解の構造を分析し、秘密性レート制約が有効である場合に最適ビームフォーミング行列がランク1であることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人工ノイズをどのように共同設計することで、SWIPTシステムにおける物理層セキュリティとエネルギー効率の両方を向上させられるか？
• RQ2 秘密性制約を伴う複数ユーザーMISOダウンリンクシステムにおいて、送信パワーとエネルギー効率の最適なトレードオフは何か？
• RQ3 非凸な多重目的ビームフォーミング問題は、SDP緩和を用いて効果的に解けるのか？また、最適性の保証は維持できるか？
• RQ4 秘密性レート要件が、最適ビームフォーミングおよび人工ノイズの共分散行列の構造に与える影響は何か？
• RQ5 準最適手法は、SDP緩和による最適解と比較して、性能と複雑さの両面でどの程度の差異を示すか？

主な発見

• 秘密性レート制約が有効である場合、SDP緩和により導出された最適ビームフォーミング解は、常にランク1であることが保証され、実行可能な送信ビームフォーマーが得られる。
• 提案されたSDPベースの解法は、送信パワー最小化とエネルギー効率最大化の間で近似的最適なバランスを達成しており、最適性の十分条件が明示的に証明されている。
• 数値結果により、送信パワーとエネルギー効率の明確なトレードオフが確認され、多重目的設計の有効性が裏付けられた。
• 提案された2つの準最適手法は、最適SDP解に非常に近い性能を達成している一方で、計算複雑度を顕著に低減している。
• 人工ノイズが、通信のセキュリティ向上とエネルギー効率の向上の両方で有効であることが示され、SWIPTシステムにおける二重目的の役割が裏付けられた。
• 緩和されたSDP問題はスレーターの条件を満たしており、KKT条件が最適性の必要十分条件として成立することが保証された。