[논문 리뷰] Secure SWIPT Networks Based on a Non-linear Energy Harvesting Model

Elena Boshkovska, Nikola Zlatanov외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 26.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비선형 수확 에너지(Harvesting, EH) 모델을 사용한 안전한 SWIPT 네트워크를 위한 새로운 자원 할당 프레임워크를 제안한다. 전송 beamforming과 인공 노이즈 공분산을 최적화하여 수확된 전력의 최대화를 달성하면서도 기밀성을 확보한다. 이 방법은 비볼록인 비율의 합 문제를 매개변수화된 뺄셈 형태로 변환하고, 반복적인 정수형 프로그래밍(SDP) 근사법을 통해 해결함으로써 전역적으로 최적의 랭크-1 beamforming을 달성하며, 선형 EH 기반 설계보다 에너지 수확 및 보안 성능에서 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• SWIPT 시스템에서 선형 에너지 수확 모델의 한계를 해결하기 위해, 실제 회로의 비선형성을 반영하지 못하는 문제를 해결한다.
• 전송 beamforming과 인공 노이즈 공분산을 공동 최적화하여 EH 수신기에서의 총 수확 에너지를 최대화한다.
• 물리 계층 보안 기반의 품질보증(QoS) 제약 조건을 만족시켜 안전한 통신을 보장한다.
• 비선형 EH 제약 조건 하에서 비볼록 자원 할당 문제에 대한 전역 최적 해를 개발한다.
• 기존 선형 EH 기반 설계 대비 에너지 수확 및 기밀성 측면에서의 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• 비선형 EH 제약 조건이 있는 비볼록 비율의 합 최적화 문제로 자원 할당 문제를 수립한다.
• 비볼록 목적 함수를 반복 최적화를 가능하게 하는 등가의 매개변수화된 뺄셈 형태로 변환한다.
• 각 반복 단계에서 랭크 제약이 있는 부분 문제를 해결하기 위해 정수형 프로그래밍(SDP) 근사법을 사용한다.
• 카룩-쿤-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건을 적용하여 최적의 beamforming 행렬이 랭크-1임을 증명함으로써 실용적 구현 가능성을 확보한다.
• 인공 노이즈 주입을 통해 가로채기 수신기 채널을 악화시키면서도 정상 사용자 에너지 수확을 최대화한다.
• 이분법 기반 알고리즘을 사용하여 매개변수 문제를 해결하고, 수렴할 때까지 반복적으로 해를 정밀화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 에너지 수확 모델은 선형 모델 대비 안전한 SWIPT 시스템 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비선형 EH 조건 하에서 비볼록 자원 할당 문제에 대해 전역 최적 해를 달성할 수 있는가?
• RQ3 인공 노이즈와 beamforming 설계가 기밀성 및 에너지 수확 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 제안된 알고리즘은 기존 선형 EH 기반 설계 대비 에너지 수확 및 보안 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 최적의 beamforming 해가 실용적 구현을 가능하게 하는 랭크-1 유지 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 비볼록 비율의 합 문제를 매개변수화된 뺄셈 형태로 변환함으로써 전역 최적 자원 할당을 달성한다.
• 최적의 beamforming 행렬이 랭크-1임을 증명하여 단일 데이터 스트림을 사용한 실용적 전송이 가능하다.
• 인공 노이즈 주입 하에 기밀성 비율 제약 조건을 만족시킴으로써 통신 보안을 보장한다.
• 수치 결과는 선형 EH 기반 설계 대비 수확된 에너지에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 실제 비선형 EH 회로 모델을 반영한 조건에서 기존 기법들보다 에너지 수확 효율성과 기밀성 제공 측면에서 모두 뛰어난 성능을 보였다.
• 반복적 SDP 기반 접근법은 QoS 및 기밀성 요구 조건을 유지하면서 총 수확 전력의 최대화를 위한 해로 수렴한다.