[論文レビュー] Secure SWIPT in the Multiuser STAR-RIS Aided MISO Rate Splitting Downlink

Hamid Reza Hashempour, Hamed Bastami+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 44被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、不完全なCSIを有する信頼できないエネルギー受信機を想定し、複数ユーザーのMISO下行リンクネットワークにおけるスターリング・リフレクティングインテリジェント表面（STAR-RIS）を支援するセキュアな同時無線情報および電力伝送（SWIPT）システムを提案する。レートスプリット多重アクセス（RSMA）を用い、送信波束成形とSTAR-RISビームフォーミングを共同最適化することで、最悪ケースの合計秘匿スループットを最大化する。非凸性とチャネル不確実性に対処する2段階のSPCAに基づく反復的アルゴリズムにより、物理層セキュリティとスペクトル効率が向上する。

ABSTRACT

Recently, simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) have emerged as a novel technology that provides 360 coverage and new degrees-of-freedom (DoFs). They are also capable of manipulating signal propagation and simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). This paper introduces a novel STAR-RIS-aided secure SWIPT system for downlink multiple input single output rate-splitting multiple access (RSMA) networks. The transmitter concurrently communicates with the information receivers (IRs) and sends energy to untrusted energy receivers (UERs). The UERs are also capable of wiretapping the IR streams. We assume that the channel state information (CSI) of the IRs is known at the information transmitter, but only imperfect CSI for the UERs is available at the energy transmitter. By exploiting RSMA, the base station splits the messages of the IRs into common and private parts. The former is encoded into a common stream that can be decoded by all IRs, while the private messages are individually decoded by their respective IRs. We find the precoders and STAR-RIS configuration that maximizes the achievable worst-case sum secrecy rate of the IRs under a total transmit power constraint, a sum energy constraint for the UERs, and subject to constraints on the transmission and reflection coefficients. The formulated problem is non-convex and has intricately coupled variables. To tackle this challenge, a suboptimal two-step iterative algorithm based on the sequential parametric convex approximation method is proposed. Simulations demonstrate that the RSMA-based algorithm implemented with a STAR-RIS enhances both the rate of confidential information transmission and the total spectral efficiency. Furthermore, our method surpasses the performance of both orthogonal multiple access (OMA) and non-OMA (NOMA).

研究の動機と目的

• 信頼できないエネルギー受信機（UERs）が情報ストリームを盗聴可能な複数ユーザーMISOネットワークにおけるダウンリンク通信のセキュリティ課題に対処すること。
• 同時送信および反射型リフレクティングインテリジェント表面（STAR-RIS）を用いて全空間カバレッジとエネルギー回収を実現し、情報伝送とエネルギー伝送の両方を支援すること。
• 全送信電力および合計エネルギー制約下で、情報受信機の最悪ケース合計秘匿スループット（WCSSR）を最大化すること。
• 信頼できない受信機（UERs）の不完全なCSIを想定し、プリコーダとSTAR-RIS送信・反射ビームフォーミングを共同最適化すること。
• 非凸性（変数の結合性）とチャネル不確実性に対処するロバストで部分最適な反復的アルゴリズムの開発

提案手法

• 受信機での逐次干渉キャンセレーションを可能にするために、メッセージを共通ストリームとプライベートストリームに分割するレートスプリット多重アクセス（RSMA）を採用する。
• 基地局（BS）がSTAR-RISの送信領域および反射領域に存在する情報受信機（IRs）と信頼できないエネルギー受信機（UERs）に信号を送信するシステムモデルを構築する。
• 逐次的パラメトリック凸近似（SPCA）法を用い、プリコーダとSTAR-RISビームフォーミングベクトルを交互に最適化することで反復的最適化を実行する。
• ノルム有界なCSI誤差モデルを用いた最悪ケースロバスト最適化により、チャネル不確実性に起因する非凸制約を凸緩和により処理する。
• 非凸項（秘匿スループットおよび電力制約）を線形化するために、補助変数とDC（凸の差分）分解を導入する。
• 付録の命題1を用いて、最悪ケース秘匿スループットおよびエネルギー回収制約の凸近似を導出し、最適化を扱いやすくする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できないエネルギー受信機を有する複数ユーザーMISO SWIPTネットワークにおいて、物理層セキュリティをどのように強化できるか？
• RQ2 盗聴者に対する不完全なCSI下で、秘匿スループットを最大化するためのプリコーディングとSTAR-RISビームフォーミングの最適な共同設計は何か？
• RQ3 RSMAとSTAR-RISの統合は、全空間カバレッジ環境下でスペクトル効率と安全なエネルギー伝送をどのように向上させるか？
• RQ4 チャネル不確実性下で、提案されたロバストアルゴリズムは従来手法に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ5 扱いやすい反復的最適化フレームワークを用いて、総合的電力およびエネルギー制約下で最悪ケース秘匿スループットを最大化できるか？

主な発見

• 提案されたRSMAベースの手法は、STAR-RIS支援ネットワークにおける従来のNOMAおよびSDMAと比較して、最悪ケース合計秘匿スループット（WCSSR）を顕著に向上させる。
• 2段階のSPCAに基づく反復的アルゴリズムは信頼性高く収束し、低コストでほぼ最適性能を達成する。
• チャネル不確実性に対するロバスト最適化のおかげで、UERsの不完全なCSI下でも安全な通信を維持できる。
• STAR-RISは360°カバレッジを実現し、情報伝送とエネルギー伝送を同時に可能にし、ネットワークの持続可能性を高める。
• シミュレーションにより、提案手法はベンチマーク手法と比較して高いスペクトル効率とより優れた秘匿性能を達成することが確認された。
• 非凸制約（例：DC分解および一次テイラー展開）に対する凸近似の適用により、効果的かつ安定した最適化が可能になった。