[論文レビュー] Resource Allocation for Secure Full-Duplex Radio Systems.

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2017

Wireless Communication Security Techniques被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、フルデュプレックスマルチユーザーシステムにおける下りリンクビームフォーミング、人工ノイズの共分散、上りリンクの送信電力を同時に最適化するための、逐次凸近似に基づく部分最適な反復アルゴリズムを提案する。この手法により、人工干渉を用いて盗聴を低減することで、ベースライン手法に比べて顕著な機密スルーレイドの向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate resource allocation for a multiuser communication system employing a full-duplex base station for serving multiple half-duplex downlink and uplink users simultaneously. The considered system enables secure simultaneous downlink and uplink communication via artificial noise (AN) generation causing interference to potential eavesdroppers. The system design objective is to maximize the system secrecy throughput by jointly optimizing the downlink beamformer, the AN covariance matrix, and the uplink transmit power. The algorithm design leads to a non-convex optimization problem and obtaining the globally optimal solution entails a prohibitively high computational complexity. Therefore, an efficient suboptimal iterative algorithm based on successive convex approximation is proposed. Our simulation results confirm that the proposed suboptimal algorithm achieves a substantial system secrecy throughput gain compared to two baseline schemes.

研究の動機と目的

• フルデュプレックスマルチユーザーシステムにおける同時下りリンクおよび上りリンク通信のセキュリティを、盗聴者に対して確保する課題に対処する。
• 最適リソース割り当てを求める非凸最適化問題の高い計算複雑性を克服する。
• 下りリンクビームフォーマー、人工ノイズの共分散行列、上りリンク送信電力を同時に最適化することで、システムの機密スルーレイドを最大化する。
• 部分最適な効率的アルゴリズムを構築し、計算複雑性を低減しながらほぼ最適な性能を達成する。
• 正当なユーザーの通信品質を損なうことなく、盗聴者を妨害する人工ノイズを用いて、安全な通信を確保する。

提案手法

• サービス品質制約および電力制約の下で機密スルーレイドを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 逐次凸近似（SCA）を用いて、非凸問題を一連の凸部分問題に逐次的に近似する。
• 各SCA反復内で、下りリンクビームフォーマー、人工ノイズの共分散行列、上りリンク送信電力を交互に最適化する。
• 凸緩和と反復的精錬を用いて、局所最適解への収束を保証する。
• 正当なユーザーの通信を損なうことなく、潜在的な盗聴者を特に妨害する人工ノイズを設計することで、機密性を維持する。
• 機密性能と計算実行可能性のバランスを取る反復的アルゴリズムを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルデュプレックスマルチユーザーシステムにおいて、リソース割り当てをどのように同時に最適化することで機密スルーレイドを最大化できるか？
• RQ2 機密性の高いフルデュプレックスシステムにおいて、機密性能と計算複雑性のトレードオフは何か？
• RQ3 逐次凸近似に基づく部分最適なアルゴリズムは、著しく低減された複雑性でほぼ最適な機密スルーレイドを達成できるか？
• RQ4 フルデュプレックスシステムにおいて、正当なユーザーの通信品質を損なわず、盗聴者を効果的に妨害する人工ノイズの効果はどの程度か？
• RQ5 提案された共同最適化フレームワークを用いることで、ベースライン手法に比べてどの程度の性能向上が達成できるか？

主な発見

• 提案された部分最適な反復アルゴリズムは、2つのベースライン手法に比べて顕著なシステム機密スルーレイドの向上を達成する。
• グローバル最適問題を解くのと比較して、著しく低い計算複雑性で局所最適解に収束する。
• 下りリンクビームフォーミング、人工ノイズ、上りリンク電力の共同最適化により、盗聴者を効果的に妨害することで機密性能が向上する。
• 人工ノイズの生成により、盗聴者に対して干渉を導入する一方で、正当なユーザーのサービス品質を維持している。
• シミュレーション結果により、実際のシステム制約下でも、提案手法の有効性が確認された。
• SCAに基づくアプローチは、実時間実装に適した実用的かつ効率的な解決策を提供する。