[논문 리뷰] Robust Max-Min Fairness Energy Harvesting in Secure MISO Cognitive Radio With SWIPT

Fuhui Zhou, Zan Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 26.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 채널 상태 정보의 부정확성 하에 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 수행하는 안정성 있는 MISO 인지 무선 네트워크를 위한 강건한 최대-최소 공정성 비드포밍 및 파wr 스플리팅 설계를 제안한다. S-Procedure와 정수형 완화를 활용하여, 기밀성 비율과 간섭 제약 조건을 만족시키면서 최소 수확 에너지를 최대화하는 최적의 인공 노이즈 보조 비드포밍을 달성하며, 기밀성 비율과 에너지 수확의 공정성 사이의 트레이드오프를 입증한다.

ABSTRACT

A multiple-input single-output cognitive radio downlink network is studied with simultaneous wireless information and power transfer. In this network, a secondary user coexists with multiple primary users and multiple energy harvesting receivers. In order to guarantee secure communication and energy harvesting, the problem of robust secure artificial noise-aided beamforming and power splitting design is investigated under imperfect channel state information. Specifically, the max-min fairness energy harvesting problem is formulated under the bounded channel state information error model. A one-dimensional search algorithm based on ${\cal S} ext{-Procedure} $ is proposed to solve the problem. It is shown that the optimal robust secure beamforming can be achieved. A tradeoff is elucidated between the secrecy rate of the secondary user receiver and the energy harvested by the energy harvesting receivers under a max-min fairness criterion.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 공유 인지 무선 네트워크에서 에너지 부족 문제와 보안 도전 과제를 해결하기 위해.
• 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서도 안정성 있는 통신과 효율적인 에너지 수확을 보장하는 강건한 비드포밍 설계를 위해.
• 모든 에너지 수확 수신기 간 최소 수확 에너지를 최대-최소 공정성 기준으로 최적화하면서 기밀성 비율과 주 사용자 간섭 제약 조건을 유지하기 위해.
• 기밀성 비율과 에너지 수확의 공정성 사이의 균형을 맞추기 위해 인공 노이즈 보조 비드포밍과 파워 스플리팅 비율을 공동 설계하기 위해.

제안 방법

• 모든 에너지 수확 수신기 간 최소 수확 에너지를 최대화하기 위해 경계된 CSI 오차 모델 하에서 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 정수형 완화(SDR)와 S-Procedure를 적용하여 비볼록 문제를 해석 가능한 형태로 변환한다.
• 카룩-쿤-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 최적성 조건을 사용하여 필요 조건을 유도하며, 최적의 인공 노이즈 공분산 행렬의 질량이 1임을 증명한다.
• 이완된 문제를 효율적으로 해결하고 최적의 비드포밍 해를 복원하기 위해 단일 변수에 대한 일차원 검색 알고리즘을 활용한다.
• 보조 사용자 수신기에서 기밀성 비율, 주 사용자 간섭, 파워 스플리팅 비율에 대한 제약 조건을 통합한다.
• 채널 추정의 불확실성을 다루기 위해 행렬 분해 및 부등식 완화 기법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 CSI 하에서 SWIPT 기능을 갖춘 MISO 인지 무선 시스템에서 강건한 비드포밍을 어떻게 설계할 수 있으며, 안정성 있는 통신과 에너지 수확을 동시에 보장할 수 있는가?
• RQ2 최대-최소 공정성 기준 하에서, 보조 사용자 기밀성 비율과 모든 에너지 수확 수신기 간 최소 수확 에너지 사이의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 채널 추정 오차가 존재하더라도 최적의 인공 노이즈 보조 비드포밍을 달성할 수 있으며, 최적의 인공 노이즈 공분산 행렬의 질량은 얼마인가?
• RQ4 S-Procedure와 SDR 기반의 제안된 일차원 검색 알고리즘이 어떻게 비볼록 문제의 최적 해에 효율적으로 도달하는가?

주요 결과

• 최적의 강건한 보안 비드포밍 해는 항상 달성 가능하며, 최적의 인공 노이즈 공분산 행렬의 질량이 1임이 증명된다.
• S-Procedure와 SDR 기반의 제안된 일차원 검색 알고리즘이 비볼록 문제의 전역 최적해에 효율적으로 수렴한다.
• 최대-최소 공정성 기준 하에서 보조 사용자 기밀성 비율과 모든 에너지 수확 수신기 간 최소 수확 에너지 사이의 근본적인 트레이드오프가 드러났다.
• 경계된 CSI 오차가 존재하더라도, 보장된 기밀성 비율을 확보하면서 에너지 수확의 공정성을 확보하는 안정성 있는 통신을 달성한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 채널 불확실성 하에서 전통적인 비드포밍 설계 대비 공정성과 강건성 측면에서 뛰어나다는 것을 확인한다.