[論文レビュー] Robust Security Energy Efficiency Optimization for RIS-Aided Cell-Free Networks with Multiple Eavesdroppers

Wanming Hao, Junjie Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、複数の盗聴者を想定した再構成可能知能表面（RIS）支援型セルフリーファイア（CF）ネットワークにおける、ロバストなエネルギー効率（EE）最適化フレームワークを提案する。基地局でのアクティブビームフォーミングと人工ノイズ、RISでのパassingビームフォーミングを統合的に最適化することで、分式プログラミング、CCCP、SDPに基づく反復的アルゴリズムを用いて、完璧な状態情報（CSI）および不完全なCSIの両状況下で優れた秘密エネルギー効率（SEE）を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the energy efficiency (EE) problem under reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided secure cell-free networks, where multiple legitimate users and eavesdroppers (Eves) exist. We formulate a max-min secure EE optimization problem by jointly designing the distributed active beamforming and artificial noise at base stations as well as the passive beamforming at RISs under practical constraints. To deal with it, we first divide the original optimization problem into two sub-ones, and then propose an iterative optimization algorithm to solve each sub-problem based on the fractional programming, constrained convex-convex procedure (CCCP) and semi-definite programming (SDP) techniques. After that, these two sub-problems are alternatively solved until convergence, and the final solutions are obtained. Next, we extend to the imperfect channel state information of the Eves' links, and investigate the robust SEE beamforming optimization problem by bringing the outage probability constraints. Based on this, we first transform the uncertain outage probability constraints into the certain ones by the bernstein-type inequality and sphere boundary techniques, and then propose an alternatively iterative algorithm to obtain the solutions of the original problem based on the S-procedure, successive convex approximation, CCCP and SDP techniques. Finally, the simulation results are conducted to show the effectiveness of the proposed schemes.

研究の動機と目的

• 複数の盗聴者を伴うRIS支援型セルフリーファイアネットワークにおける、秘密エネルギー効率（SEE）を最大化する課題に対処すること。
• 既存の研究がスペクトル効率（SE）にのみ注目していること、または完璧なCSIを仮定していることの制限を克服すること。
• 合計SEEではなく、最小ユーザーSEEを最大化することにより、公平性を確保すること。
• 盗聴者チャネルの実用的な不完全なCSIを、アウトージ確率制約を用いて取り入れること。
• チャネル不確実性下でも高いSEEを維持できるロバストな最適化フレームワークを開発すること。

提案手法

• アクティブビームフォーミング、基地局での人工ノイズ、RISでのパassingビームフォーミングを統合的に設計することで、最大最小SEE最適化問題を定式化する。
• 交互最適化フレームワークを用いて、元の問題を2つの部分問題に分解する。
• 各部分問題を分式プログラミング、制約付き凸-凸プロセス（CCCP）、および半正定値計画法（SDP）を用いて解く。
• ベルンシュタイン型不等式と球面境界技術を用いて、不確実なアウトージ確率制約を確定的制約に変換する。
• Sプロシージャ、逐次凸近似（SCA）、CCCP、SDPを用いて、不完全なCSI下でのロバストなSEE問題を解く。
• 2つの部分問題を反復的に交互に解き、収束するまで繰り返し、最終的なビームフォーミング解を取得する。

Figure 2: SEE versus the number of iterations.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の正当なユーザーと盗聴者を伴うRIS支援型セルフリーファイアネットワークにおいて、どのようにして秘密エネルギー効率（SEE）を最大化できるか？
• RQ2 盗聴者リンクの不完全なチャネル状態情報（CSI）がSEEに与える影響は何か？ そして、どのようにしてロバスト性を確保できるか？
• RQ3 基地局（BS）の数、RIS素子数、ユーザー数、盗聴者数が、SEEおよびシステムの公平性に与える影響は何か？
• RQ4 アクティブビームフォーミングとパassingビームフォーミングの統合的設計は、ユーザー間の公平性を維持しながらSEEを向上させることができるか？
• RQ5 RIS支援型CFネットワークにおいて、SEE、システム合計レート、回路消費電力の間にはどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 完璧なCSI下での提案手法は、既存の手法よりも高いSEEを達成しており、特に公平性を重視する状況で顕著な優位性を示す。
• 完璧なCSIおよび不完全なCSIの両状況下で、RIS素子数の増加に伴いSEEが向上し、RIS導入の利点を明確に示している。
• 盗聴者数の増加に伴い盗聴レートが上昇するためSEEが低下する一方、ユーザー数の増加に伴い干渉が増加するためSEEも低下する。
• 基地局数の増加に伴いSEEは一時的に上昇し、その後減少する傾向を示し、スペクトル利得と回路消費電力の間のトレードオフを明らかにしている。
• 不完全なCSI下では、チャネル誤差レベルの上昇に伴いSEEが劣化するが、本手法のロバストな設計は非ロバスト手法を上回る性能を示す。
• 提案手法は、合計SEEを最大化する手法と比較して、より高い最小ユーザーSEEを達成しており、わずかに低い合計SEEであるものの、公平性の向上が確認された。

Figure 3: SEE versus BS transmit power $P_{b}$ .