[論文レビュー] Power Allocation for Energy Efficiency and Secrecy of Interference Wireless Networks

Zhichao Sheng, Hoang Duong Tuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、干渉制限付き無線ネットワークにおける送信力割り当てを最適化し、最悪ケースの機密スルーブルトやセキュアエネルギー効率（SEE）を最大化することを目的として、低複雑性で高速収束するパスフォロwingアルゴリズムを提案する。3つのチャネル状態情報（CSI）状況—完全、部分的（盗聴者CSIが分布として与えられる）、ロバスト（ユーザーおよび盗聴者CSIが不完全）—を想定している。主な貢献は、すべてのCSI不確実性レベルで高い機密性能とエネルギー効率を達成する統一フレームワークを構築したことである。

ABSTRACT

Considering a multi-user interference network with an eavesdropper, this paper aims at the power allocation to optimize the worst secrecy throughput among the network links or the secure energy efficiency in terms of achieved secrecy throughput per Joule under link security requirements. Three scenarios for the access of channel state information are considered: the perfect channel state information, partial channel state information with channels from the transmitters to the eavesdropper exponentially distributed, and not perfectly known channels between the transmitters and the users with exponentially distributed errors. The paper develops various path-following procedures of low complexity and rapid convergence for the optimal power allocation. Their effectiveness and viability are illustrated through numerical examples. The power allocation schemes are shown to achieve both high secrecy throughput and energy efficiency.

研究の動機と目的

• 干渉制限付きマルチユーザー無線ネットワークに盗聴者が存在する状況において、機密スルーブルトとエネルギー効率の両方を最適化する課題に対処する。
• 送信機が盗聴者およびユーザーのリンクに対して完全なチャネル状態情報（CSI）を保有できないという実用的制限を扱う。
• さまざまなCSI品質下で、最悪ケースの機密スルーブルトとセキュアエネルギー効率（SEE）を最大化する効率的な送信力割り当て戦略を開発する。
• ユーザーおよび盗聴者チャネルの誤差が指数分布に従うという不確実性に対してもロバストなアルゴリズムを設計する。
• 実時間での実装に適した低計算複雑性と高速収束を確保する。

提案手法

• 品質保証（QoS）制約下で、最悪ケースの機密スルーブルトまたはSEEを最大化する非凸最適化問題として送信力割り当て問題を定式化する。
• 分数プログラミングと非凸性を扱うために、逐次凸近似（SCA）およびディンケルバッハ法に基づくパスフォロウィングアルゴリズムを開発する。
• 対数不等式（例：$\ln(1+1/t) \geq 1/(t+1)$）から導かれるタイトな下界を用いて、非凸項を凸近似する。
• 関数$f(x,y,t) = \ln(1+1/xy)^{1/t}$の凸性結果を適用し、反復アルゴリズムの収束性と安定性を保証する。
• 信頼領域技術と凸サロゲート関数を用いて、特にユーザーおよび盗聴者チャネルにおける指数分布に従う誤差を含むCSI不確実性を処理する。
• 完全CSI、部分CSI（盗聴者チャネル分布が既知）、ロバスト最適化（ユーザーおよび盗聴者CSIが不完全）の3つのCSI状況に適応するアルゴリズムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉制限付き無線ネットワークに盗聴者が存在する状況で、最悪ケースの機密スルーブルトを最大化する送信力割り当てはどのように最適化できるか？
• RQ2 CSIが不完全または統計的にのみ分かっている状況で、セキュアエネルギー効率（SEE）を最大化する最適な送信力割り当て戦略は何か？
• RQ3 パスフォロウィングアルゴリズムは、非凸な機密性およびエネルギー効率最適化問題に適用された場合、収束速度と複雑性の面でどのように性能を示すか？
• RQ4 機密スルーブルトおよびSEEの観点から、完全CSI、部分CSI、ロバスト最適化の各状況における性能ギャップはどの程度か？
• RQ5 凸近似技術は、チャネル不確実性下での機密レートおよびSEE最大化に起因する非凸性を効果的に扱えるか？

主な発見

• 提案されたパスフォロウィングアルゴリズムは、高速収束と低計算複雑性を達成しており、実時間での実装に適している。
• アルゴリズムは、完全、部分、ロバストの3つのCSI状況すべてにおいて、最悪ケースの機密スルーブルトとセキュアエネルギー効率（SEE）を効果的に最大化する。
• 指数分布に従うチャネル誤差を伴うロバスト状況では、ユーザーおよび盗聴者チャネルの両方の不確実性に対しても、高い性能を維持する。
• 数値結果から、提案手法が従来の送信力割り当て手法に比べ、機密スルーブルトおよびSEEの両面で顕著に優れていることが示された。
• 対数不等式に基づく凸サロゲート関数の使用により、近最適解への安定的かつ高精度な収束が保証された。
• フレームワークはスケーラブルかつ適応可能であり、CSI不確実性の度合いが異なる状況に対しても統一的な送信力割り当て手法を提供する。