[論文レビュー] Multi-Objective Optimization for Robust Power Efficient and Secure Full-Duplex Wireless Communication Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 17被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、盗聴者に対する物理層セキュリティを確保しながら、ダウンリンクおよびアップリンクの送信電力を同時に最小化することを目的とした、フルデュプレックス（FD）無線システムのためのマルチオブジェクティブ最適化フレームワークを提案する。重み付きチービシェフ法と半定値計画法（SDP）緩和を用いることで、不完全なチャネル状態情報（CSI）下でもロバストなリソース割り当てを実現し、シミュレーション結果により、電力効率とセキュリティ性能のトレードオフが確認された。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the power efficient resource allocation algorithm design for secure multiuser wireless communication systems employing a full-duplex (FD) base station (BS) for serving multiple half-duplex (HD) downlink (DL) and uplink (UL) users simultaneously. We propose a multi-objective optimization framework to study two conflicting yet desirable design objectives, i.e., total DL transmit power minimization and total UL transmit power minimization. To this end, the weighed Tchebycheff method is adopted to formulate the resource allocation algorithm design as a multi-objective optimization problem (MOOP). The considered MOOP takes into account the quality-of-service (QoS) requirements of all legitimate users for guaranteeing secure DL and UL transmission in the presence of potential eavesdroppers. Thereby, secure UL transmission is enabled by the FD BS and would not be possible with an HD BS. The imperfectness of the channel state information of the eavesdropping channels and the inter-user interference channels is incorporated for robust resource allocation algorithm design. Although the considered MOOP is non-convex, we solve it optimally by semidefinite programming (SDP) relaxation. Simulation results not only unveil the trade-off between the total DL transmit power and the total UL transmit power, but also confirm the robustness of the proposed algorithm against potential eavesdroppers.

研究の動機と目的

• フルデュプレックス（FD）マルチユーザー系における、合計ダウンリンクおよびアップリンク送信電力を最小化するという、対立する設計目標を解決すること。
• 潜在的な盗聴者を想定した状況下でも、ダウンリンクおよびアップリンク伝送の安全な通信を確保すること。
• 盗聴者およびユーザー間干渉チャネルの不完全なチャネル状態情報（CSI）を組み込むことで、チャネル推定誤差に対してロバストなリソース割り当てを実現すること。
• FDシステムにおける電力効率と物理層セキュリティを統合的に取り扱う、実用的な最適化フレームワークを構築すること。
• 非凸問題であるにもかかわらず、半定値計画法（SDP）緩和を用いて、グローバル最適解を達成すること。

提案手法

• 重み付きチービシェフ法を用いて、ダウンリンクおよびアップリンク電力最小化をバランスさせるマルチオブジェクティブ最適化問題（MOOP）としてリソース割り当て問題を定式化する。
• すべての正当なユーザーに対するサービス品質（QoS）制約および機密性要件を満たすために、セキュアな伝送を保証するためのスルーレート要件を組み込む。
• 盗聴者およびユーザー間干渉チャネルの不完全なCSIをモデル化することで、チャネル推定誤差に対するロバストネスを向上させる。
• 非凸MOOPを解くために半定値計画法（SDP）緩和を適用し、最適解が常にランク1であることを証明することで、実用的なビームフォーミング設計を可能にする。
• ラグランジュ双対問題を解析することで最適性の必要条件を導出し、ビームフォーミング行列のランク1構造を確立する。
• ダウンリンク電力最小化の重みパラメータがゼロであっても、グローバル最適なランク1解をビームフォーミング行列に対して構築できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理層セキュリティ制約を満たすフルデュプレックスマルチユーザー系において、ダウンリンクおよびアップリンク送信電力の最適なトレードオフは何か？
• RQ2 盗聴者および干渉リンクのチャネル状態情報（CSI）が不完全な状況下で、どのようにしてロバストなリソース割り当てを設計できるか？
• RQ3 機密性制約を伴う非凸マルチオブジェクティブ最適化問題に対して、グローバル最適解を達成できるか？
• RQ4 残留自己干渉および同周波数干渉は、安全なFDシステムの性能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 提案手法は、ビームフォーミング解が常にランク1のままであることをどのように保証するか？

主な発見

• 提案手法はSDP緩和を用いてグローバル最適解を達成し、すべてのビームフォーミング行列がランク1であることが証明され、実用的実装が可能である。
• シミュレーション結果により、ダウンリンクおよびアップリンク送信電力の明確なトレードオフが確認され、マルチオブジェクティブ最適化フレームワークの有効性が裏付けられた。
• FDベースステーションを介したセキュアなアップリンク伝送が実現可能であり、これはハーフデュプレックスベースステーションでは達成できない。
• 盗聴者に対するロバストネスが確認され、盗聴リンクのCSIが不完全であっても性能が維持された。
• 残留自己干渉および同周波数干渉に対しても、すべてのユーザーのQoSおよび機密スルーレート要件を満たす形で、効果的に対処できた。
• ダウンリンク電力最小化が優先される場合（λ₁ = 0）を含め、すべてのケースにおいて最適ビームフォーミング行列のランク1構造が解析的に証明された。