[논문 리뷰] Secure SWIPT in the Multiuser STAR-RIS Aided MISO Rate Splitting Downlink

Hamid Reza Hashempour, Hamed Bastami외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 44인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 STAR-RIS 보조 MISO 다운링크 네트워크에서 비밀 정보 전송과 전력 전송을 동시에 수행하는 보안성 확보된 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT) 시스템을 제안한다. 비신뢰할 수 있는 에너지 수신기(UER)의 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 조건 하에서, 예측 기반 및 STAR-RIS 조향을 동시에 최적화함으로써 가장 열악한 조건 하에서도 합산 비밀 속도를 최대화하는 방식으로, 이중 단계 SPCA 기반 반복 알고리즘을 통해 물리계층 보안성과 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.

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).

연구 동기 및 목표

• 비신뢰할 수 있는 에너지 수신기(UER)가 정보 전송을 가로챌 수 있는 다중 사용자 MISO 네트워크에서 다운링크 통신 보안 문제를 해결하는 것.
• 동시 전송 및 반사 기능을 갖춘 RIS(_STAR-RIS_)를 통해 전체 공간 커버리지 및 에너지 수확을 가능하게 하여 정보 및 에너지 전송을 동시에 지원하는 것.
• 총 전송 전력 제약과 합산 에너지 수확 제약 조건 하에서 정보 수신기의 가장 열악한 조건 하에서도 합산 비밀 속도(WCSSR)를 최대화하는 것.
• 비신뢰할 수 있는 UER에 대한 불완전한 CSI 조건 하에서 예측기와 STAR-RIS 전송/반사 조향을 공동으로 최적화하는 것.
• 결합된 변수와 채널 불확실성으로 인한 비볼록성 문제를 다룰 수 있는 강건한 부분 최적 반복 알고리즘을 개발하는 것.

제안 방법

• 수신기에서 간섭 제거를 위해 순차적 간섭 제거를 가능하게 하는 메시지를 공통 및 개인 스트림으로 분할하기 위해 비율 분할 다중접근(RSMA)을 활용한다.
• 기지국(BS)이 STAR-RIS의 전송 및 반사 영역에 있는 정보 수신기(IRs)와 비신뢰할 수 있는 에너지 수신기(UERs)로 전송하는 시스템을 모델링한다.
• 예측기와 STAR-RIS 조향 벡터를 번갈아 가며 최적화하기 위해 순차적 매개변수화된 볼록 근사(SPCA) 방법을 사용한다.
• 채널 불확실성으로 인한 비볼록 제약 조건을 다루기 위해 볼록 완화 기법을 적용하고, 노름 유계 채널 상태 오차 모델을 사용한 가장 열악한 조건 기반 강건 최적화를 실시한다.
• 비볼록 항목을 선형화하기 위해 보조 변수와 DC(볼록 함수의 차분) 분해를 도입한다.
• 부록의 보조정리 1을 활용하여 가장 열악한 조건 하의 비밀 속도 및 에너지 수확 제약 조건에 대한 볼록 근사를 유도함으로써 최적화의 실현 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비신뢰할 수 있는 에너지 수신기를 포함한 다중 사용자 MISO SWIPT 네트워크에서 물리계층 보안성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 비신뢰할 수 있는 에avesdropper의 채널 상태 정보가 불완전한 조건 하에서, 예측기와 STAR-RIS 조향을 공동으로 최적화하여 비밀 속도를 최대화하는 최적의 설계는 무엇인가?
• RQ3 RSMA와 STAR-RIS의 통합은 전체 공간 커버리지 시나리오에서 스펙트럼 효율성과 안정적인 에너지 전송을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 채널 불확실성 조건 하에서 제안된 강건 알고리즘이 기존 기법 대비 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 실현 가능한 반복 최적화 프레임워크를 통해 공동 전력 및 에너지 제약 조건 하에서 가장 열악한 비밀 속도를 최대화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 RSMA 기반 시스템은 STAR-RIS 보조 네트워크에서 기존의 NOMA 및 SDMA 대비 가장 열악한 조건 하에서도 합산 비밀 속도(WCSSR)를 크게 향상시킨다.
• 이중 단계 SPCA 기반 반복 알고리즘은 안정적으로 수렴하며 낮은 복잡도로 근사 최적 성능을 달성한다.
• 채널 불확실성에 대비한 강건 최적화 덕분에 UER의 CSI가 불완전한 조건 하에서도 안정적인 통신을 유지할 수 있다.
• STAR-RIS는 360° 커버리지를 제공하고 동시에 정보 전송과 에너지 수확을 지원하여 네트워크 지속 가능성을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 시스템은 기준 대비 더 높은 스펙트럼 효율성과 더 강력한 비밀성 성능을 확보한다.
• 비볼록 제약 조건(예: DC 분해 및 1차 테일러 전개)에 대한 볼록 근사 기법의 활용은 효과적이고 안정적인 최적화를 가능하게 한다.