[論文レビュー] Secure SWIPT Networks Based on a Non-linear Energy Harvesting Model

Elena Boshkovska, Nikola Zlatanov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非線形エネルギー回収（EH）モデルを用いた安全なSWIPTネットワークのための新しいリソース割り当てフレームワークを提案する。送信ビームフォーミングと人工ノイズの共分散を最適化することで、回収エネルギーを最大化すると同時に機密性を確保する。本手法は非凸な比の和問題をパラメトリック減算形式に変換し、反復的半定値計画法（SDP）リラクゼーションを用いて解くことで、グローバルに最適なランク1のビームフォーミングを達成し、線形EHに基づく設計よりもエネルギー回収およびセキュリティ面で優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

We optimize resource allocation to enable communication security in simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) for internet-of-things (IoT) networks. The resource allocation algorithm design is formulated as a non-convex optimization problem. We aim at maximizing the total harvested power at energy harvesting (EH) receivers via the joint optimization of transmit beamforming vectors and the covariance matrix of the artificial noise injected to facilitate secrecy provisioning. The proposed problem formulation takes into account the non-linearity of energy harvesting circuits and the quality of service requirements for secure communication. To obtain a globally optimal solution of the resource allocation problem, we first transform the resulting non-convex sum-of-ratios objective function into an equivalent objective function in parametric subtractive form, which facilitates the design of a novel iterative resource allocation algorithm. In each iteration, the semidefinite programming (SDP) relaxation approach is adopted to solve a rank-constrained optimization problem optimally. Numerical results reveal that the proposed algorithm can guarantee communication security and provide a significant performance gain in terms of the harvested energy compared to existing designs which are based on the traditional linear EH model.

研究の動機と目的

• SWIPTシステムにおける線形エネルギー回収モデルの限界を是正する。線形モデルは現実の回路非線形性を反映していない。
• 全回収エネルギーを最大化するために、送信ビームフォーミングと人工ノイズの共分散を共同最適化する。
• 物理層セキュリティに基づくQoS制約を満たすことで、通信の安全性を保証する。
• 非線形EH制約下での非凸リソース割り当て問題に対して、グローバルに最適な解を確立する。
• 従来の線形EHに基づく設計と比較して、エネルギー回収および機密性の向上を実証する。

提案手法

• 非凸な比の和最適化問題としてリソース割り当て問題を定式化し、非線形EH制約を含む。
• 非凸な目的関数を同等のパラメトリック減算形式に変換し、反復的最適化を可能にする。
• 各反復でランク制約付き部分問題を解くために半定値計画法（SDP）リラクゼーションを用いる。
• カールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を適用し、最適ビームフォーミング行列がランク1であることを証明することで、実装可能性を保証する。
• 人工ノイズの注入により盗聴者チャネルを劣化させつつ、正当なユーザーのエネルギー回収を最大化する。
• バイセクションベースのアルゴリズムを用いてパラメトリック問題を解き、収束するまで反復的に解を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形エネルギー回収モデルは、線形モデルと比較して、安全なSWIPTシステムの設計にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非線形EHを伴う安全なSWIPTにおける非凸リソース割り当て問題に対して、グローバルに最適な解を達成できるか？
• RQ3 人工ノイズとビームフォーミング設計は、機密性およびエネルギー回収性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 提案されたアルゴリズムは、従来の線形EHに基づく設計と比較して、回収エネルギーおよびセキュリティ面でどのように差をつけるか？
• RQ5 最適ビームフォーミング解がランク1のまま保たれる条件は何か？これにより実装が可能になる。

主な発見

• 提案されたアルゴリズムは、非凸な比の和問題をパラメトリック減算形式に変換することで、グローバルに最適なリソース割り当てを達成する。
• 最適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、単一のデータストリームによる実装が可能になる。
• 人工ノイズの注入により、機密性を保証するためのセキュリティレート制約を満たす。
• 数値結果から、線形EHに基づく設計と比較して、回収エネルギーの顕著な向上が確認された。
• 現実の非線形EH回路モデルを想定した状況下でも、本手法はエネルギー回収効率および機密性確保の両面で、既存の手法を上回る性能を発揮する。
• 反復的SDPに基づくアプローチは、QoSおよび機密性要件を維持しつつ、全回収エネルギーを最大化する解に収束する。