[논문 리뷰] Robust Security Energy Efficiency Optimization for RIS-Aided Cell-Free Networks with Multiple Eavesdroppers

Wanming Hao, Junjie Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다수의 도청자 존재 하에서 재구성 가능 지능형 표면(RIS) 기반 셀리스(CF) 네트워크에 대한 강건한 에너지 효율성(EE) 최적화 프레임워크를 제안한다. 기지국에서의 활성 beamforming, 인공 노이즈 설계, RIS에서의 수동 beamforming을 통합 최적화함으로써, 분수 프로그래밍, CCCP, SDP 기반 반복 알고리즘을 통해 완벽한 및 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 조건 하에서도 뛰어난 기밀 에너지 효율성(SEE)을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다수의 도청자가 존재하는 RIS 보조 셀리스 네트워크에서 기밀 에너지 효율성(SEE)을 최대화하는 도전 과제를 다루기.
• 기존 연구에서 스펙트럼 효율성(SE)에만 초점을 맞추거나 완벽한 CSI를 가정하는 한계를 극복하기.
• 총 SEE가 아닌 최소 사용자 SEE를 최대화하여 공정성을 확보하기.
• 도청자 채널의 실용적인 불완전한 CSI를 고려하여 장애 발생 확률 제약 조건을 도입하기.
• 채널 불확실성 하에서도 높은 SEE를 유지할 수 있는 강건한 최적화 프레임워크 개발하기.

제안 방법

• 기지국의 활성 beamforming, 인공 노이즈 설계, RIS의 수동 beamforming을 통합적으로 설계하여 최소 사용자 SEE를 최대화하는 문제를 수립하기.
• 교대 최적화 프레임워크를 사용하여 원래 문제를 두 개의 하位 문제로 분해하기.
• 각 하위 문제를 분수 프로그래밍, 제약 조건이 있는 볼록-볼록 절차(CCCP), 및 준정방형계획법(SDP)을 사용해 해결하기.
• 베르슈타인 유형 부등식과 구 표면 기법을 활용하여 불확실한 장애 발생 확률 제약 조건을 결정론적 형태로 변환하기.
• S-절차, 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA), CCCP, SDP를 적용하여 불완전한 CSI 조건 하에서의 강건한 SEE 문제 해결하기.
• 수렴할 때까지 두 하위 문제를 반복적으로 해결하여 최종 beamforming 해답 도출하기.

Figure 2: SEE versus the number of iterations.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다수의 정상 사용자와 도청자가 존재하는 RIS 보조 셀리스 네트워크에서 기밀 에너지 효율성(SEE)을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 도청자 링크의 불완전한 채널 상태 정보(CSI)가 SEE에 미치는 영향은 무엇이며, 어떻게 강건성을 확보할 수 있는가?
• RQ3 기지국(BS) 수, RIS 요소 수, 사용자 수, 도청자 수가 SEE 및 시스템 공정성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 활성 및 수동 beamforming 설계를 통합적으로 적용하면 사용자 간 공정성을 유지하면서 SEE를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 RIS 보조 CF 네트워크에서 SEE, 시스템 총 전송률, 회로 소비 전력 소비 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 완벽한 CSI 조건 하에서 제안된 방법은 기존 방법보다 더 높은 SEE를 달성하며, 특히 공정성 인식 시나리오에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 완벽한 및 불완전한 CSI 조건 하에서 RIS 요소 수가 증가할수록 SEE가 증가함을 확인하여 RIS 도입의 유용성을 입증한다.
• 도청자 수가 많아질수록 도청 속도가 증가하여 SEE가 감소하고, 사용자 수가 증가할수록 간섭이 증가하여 SEE가 감소함을 관찰한다.
• 기지국 수가 증가함에 따라 SEE는 처음에는 증가하다가 감소하는 경향을 보이며, 스펙트럼 이득과 회로 소비 전력 간의 상충 관계를 드러낸다.
• 불완전한 CSI 조건 하에서 채널 오차 수준이 증가할수록 SEE는 저하되나, 제안된 강건한 방법은 비강건한 대비 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 제안된 방법은 총 SEE 최대화 방법보다 더 높은 최소 사용자 SEE를 확보함으로써, 약간 낮은 총 SEE를 감안하더라도 공정성이 향상됨을 확인한다.

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