[論文レビュー] Wireless Powered Cooperative Jamming for Secrecy Multi-AF Relaying Networks

Hong Xing, Kai‐Kit Wong+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、エネルギー効率の制限を受けるリレーサービスを備えたセキュアな通信を実現するため、無線パワー駆動型協調ジャミング方式を提案する。エネルギー効率の高いリレーサービスは、受信したRFエネルギーを信号の中継と不正受信者抑止のための人工雑音の生成に割り当てる。半定型緩和法を用いて、個々のリレーの電力制約下で閉形式の最適ビームフォーミングおよびジャミング設計を導出する。非協調的かつ非無線パワー駆動型のベンチマークと比較して、著しく高いセキュリティレートを達成する。

ABSTRACT

This paper studies secrecy transmission with the aid of a group of wireless energy harvesting (WEH)-enabled amplify-and-forward (AF) relays performing cooperative jamming (CJ) and relaying. The source node in the network does simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) with each relay employing a power splitting (PS) receiver in the first phase; each relay further divides its harvested power for forwarding the received signal and generating artificial noise (AN) for jamming the eavesdroppers in the second transmission phase. In the centralized case with global channel state information (CSI), we provide closed-form expressions for the optimal and/or suboptimal AF-relay beamforming vectors to maximize the achievable secrecy rate subject to individual power constraints of the relays, using the technique of semidefinite relaxation (SDR), which is proved to be tight. A fully distributed algorithm utilizing only local CSI at each relay is also proposed as a performance benchmark. Simulation results validate the effectiveness of the proposed multi-AF relaying with CJ over other suboptimal designs.

研究の動機と目的

• リレーが中継とジャミングの両方をバランスさせる必要があるエネルギー制限付きリレーネットワークにおけるセキュアな通信の課題に対処すること。
• 複数の不正受信者を伴うマルチ-AFリレーネットワークにおいて、個々のリレーのエネルギー効率の制約下でセキュリティレートを最大化すること。
• 集中型および分散型の戦略を用いて、リレーでのビームフォーミングと人工雑音共分散を共同最適化すること。
• 従来の非無線パワー駆動型および非協調的ジャミング設計と比較して、提案手法の性能向上を検証すること。

提案手法

• 各リレーに動的パワー分割（DPS）受信機を採用し、同時にエネルギー収集と情報復調を実行する。
• 第1段階では、送信元がビームフォーミングを用いてリレーに同時無線情報・電力伝送（SWIPT）を実施する。
• 第2段階では、各リレーが収集したエネルギーの一部を増幅・再放送（AF）中継に、残りの一部を不正受信者を混乱させる人工雑音（AN）の生成に使用する。
• 個々のリレーの電力制約下で非凸なセキュリティレート最大化問題を解くために、半定型緩和法（SDR）を用いる。緩和のタイトネスを証明する。
• 全CSIを入手可能な集中型ケースにおいて、最適AFリレー・ビームフォーミングおよびAN共分散行列の閉形式解を導出する。
• 各リレーにローカルCSIのみを用いる完全分散型アルゴリズムを提案し、性能ベンチマークとしての役割を果たす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リレーのバッテリーを消耗させることなく、無線エネルギー収集を活用してマルチ-AFリレーネットワークにおける協調ジャミングを実現する方法は何か？
• RQ2 個々のリレーのエネルギー制約下で、リレーのビームフォーミングと人工雑音生成の最適なトレードオフは何か？
• RQ3 半定型緩和法は、この無線パワー駆動型協調ジャミング環境下で、セキュリティレート最大化問題に対してタイトかつ閉形式の解をもたらすか？
• RQ4 全CSIを用いた集中型最適設計と、ローカルCSIのみを用いる完全分散型手法の性能は、どのように比較されるか？
• RQ5 従来の非無線パワー駆動型および非協調的ジャミング手法と比較して、提案手法の達成可能なセキュリティレート向上はどの程度か？

主な発見

• シミュレーションにおいて、提案された集中型手法は、非無線パワー駆動型および非協調的ジャミングのベンチマークを著しく上回るセキュリティレートを達成する。
• 半定型緩和法を用いることでタイトな解が得られ、最適ビームフォーミングおよび人工雑音共分散の閉形式表現が可能になる。
• 個々のリレーの電力制約下で最適ビームフォーミングおよびジャミング設計が導出されており、実用的実装が可能である。
• 完全分散型アルゴリズムは最適でないが、ローカルCSIのみを必要とするため、スケーラブルな展開に適した有効なベンチマークを提供する。
• 直接リンクが存在しない状況下でも、導出されたビームフォーミングおよびAN設計は、ロバストかつ効果的である。
• 本手法は、エネルギー制限付きリレーを備えた実世界の応用、例えば無線センサーネットワークや遠隔医療監視システムに適用可能である。