[논문 리뷰] Secure Transmission and Self-Energy Recycling for Wireless-Powered Relay Systems with Partial Eavesdropper Channel State Information

Jingping Qiao, Haixia Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 29.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 부분적 탈취자 채널 상태 정보(ECSI)를 가진 무선 구동 시스템을 위한 전량 양방향, 자기 에너지 재활용(S-ER) 릴레이 기법을 제안한다. 이 기법은 동시에 에너지 수확과 안전한 정보 전송을 가능하게 하며, 빔포머와 전력 할당을 공동 최적화함으로써 기존의 시간 스위칭 릴레이(TSR) 기법 대비 최대 80%의 악성 경우 비밀 통신률(WCSR) 향상을 달성한다. 또한 루프백 간섭 에너지를 재활용하여 릴레이 기능을 수행하고, 다중 안테나 활용을 통해 스펙트럼 효율을 향상시킨다.

ABSTRACT

This paper focuses on the secure transmission of wireless-powered relay systems with imperfect eavesdropper channel state information (ECSI). For efficient energy transfer and information relaying, a novel two-phase protocol is proposed, in which the relay operates in full-duplex (FD) mode to achieve simultaneous wireless power and information transmission. Compared with those existing protocols, the proposed design possesses two main advantages: 1) it fully exploits the available hardware resource (antenna element) of relay and can offer higher secrecy rate; 2) it enables self-energy recycling (S-ER) at relay, in which the loopback interference (LI) generated by FD operation is harvested and reused for information relaying. To maximize the worst-case secrecy rate (WCSR) through jointly designing the source and relay beamformers coupled with the power allocation ratio, an optimization problem is formulated. This formulated problem is proved to be non-convex and the challenge to solve it is how to concurrently solve out the beamformers and the power allocation ratio. To cope with this difficulty, an alternative approach is proposed by converting the original problem into three subproblems. By solving these subproblems iteratively, the closed form solutions of robust beamformers and power allocation ratio for the original problem are achieved. Simulations are done and results reveal that the proposed S-ER based secure transmission scheme outperforms the traditional time-switching based relaying (TSR) scheme at a maximum WCSR gain of 80%.Results also demonstrate that the WCSR performance of the scheme reusing idle antennas for information reception is much better than that of schemes exploiting only one receive antenna.

연구 동기 및 목표

• 부정확한 탈취자 채널 상태 정보(ECSI)를 가진 무선 구동 시스템에서 에너지 제약이 있는 릴레이 통신의 도전 과제를 해결한다.
• 전량 양방향(FD) 릴레이에서 발생하는 루프백 간섭(LI)으로 인한 비밀 통신률 저하 문제를 해결하기 위해 LI 에너지를 재활용하여 정보 릴레이 전송을 가능하게 한다.
• 부정확한 ECSI 하에서 원천 및 릴레이 빔포머와 전력 할당 비율을 공동 최적화함으로써 악성 경우 비밀 통신률(WCSR)을 최대화한다.
• 전량 양방향 운영과 다중 안테나 하드웨어 자원을 활용하여 스펙트럼 효율성과 에너지 활용도를 향상시킨다.
• 기존의 시간 스위칭 릴레이(TSR) 및 단일 안테나 기반 기법 대비 비밀 통신 성능에서 제안된 S-ER 기법의 우수성을 입증한다.

제안 방법

• FD 릴레이가 동시에 무선 전력과 정보 전송을 수행하는 새로운 이중 단계 프로토콜을 제안하여, 루프백 간섭(LI) 에너지를 자기 에너지 재활용(S-ER)하는 것을 가능하게 한다.
• 원천 및 릴레이 빔포머와 에너지 수확 및 정보 릴레이 전송 간 전력 할당 비율을 공동으로 설계함으로써 WCSR을 최대화하는 공동 최적화 프레임워크를 도입한다.
• 비볼록 최적화 문제를 반복적 접근을 통해 세 개의 하위문제로 변환하여 강인한 빔포머와 최적 전력 할당을 반복적으로 구한다.
• 부정확한 ECSI 하에서 빔포머와 전력 할당 비율에 대한 닫힌 형태 해답을 유도하여 수렴성과 실용적 구현 가능성을 보장한다.
• 최적 전력 할당 비율에 대해 조각별 표현을 활용하며, 비율이 1 미만이거나 1과 같을 경우를 별도로 분석한다.
• SINR 표현식과 단조성 분석을 활용하여 WCSR이 $ |oldsymbol{w}_r^rown oldsymbol{H}_r^rown oldsymbol{w}_s|^2 $의 크기와 함께 증가함을 증명하고, 이 항목을 최대화하는 데 초점을 맞춘 빔포밍 설계를 이끌어낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부정확한 루프백 간섭(LI)을 관리하면서 무선 구동 시스템에서 전량 양방향 릴레이를 어떻게 활용하여 비밀 통신률을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 안전하고 에너지 제약이 있는 전량 양방향 릴레이 시스템에서 루프백 간섭 에너지를 정보 릴레이 전송에 최적의 방식으로 재활용하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 부정확한 탈취자 채널 상태 정보(ECSI)는 악성 경우 비밀 통신률(WCSR)에 어떤 영향을 미치며, 강인한 빔포밍은 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 부분적 ECSI 하에서 제안된 S-ER 기법은 기존의 시간 스위칭 릴레이(TSR) 대비 WCSR 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ5 릴레이에서 다중 안테나를 활용할 경우 단일 안테나 기반 기법 대비 비밀 통신률 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 S-ER 기반 안전한 전송 기법은 기존의 시간 스위칭 릴레이(TSR) 기법 대비 최대 80%의 악성 경우 비밀 통신률(WCSR) 향상을 달성한다.
• 비어 있는 안테나를 정보 수신에 재활용할 경우 WCSR 성능이 크게 향상되어, 단일 수신 안테나만 사용하는 기법보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 악성 경우 비밀 통신률(WCSR)은 $ |oldsymbol{w}_r^rown oldsymbol{H}_r^rown oldsymbol{w}_s|^2 $의 단조 증가 함수이며, 이 채널 이득을 최대화하는 것이 성능 최적화에 핵심임을 시사한다.
• 제안된 반복적 알고리즘이 강인한 빔포머와 최적 전력 할당 비율에 대해 닫힌 형태 해답으로 수렴하여, 부정확한 ECSI 하에서도 실용적 구현이 가능함을 보장한다.
• 간섭에 대한 강인한 빔포밍과 S-ER를 활용함으로써, 부정확한 ECSI 조건에서도 높은 비밀 통신률을 유지하여 채널 불확실성에 대한 내성과 견고성을 입증한다.
• 전력 할당에 따른 WCSR을 나타내는 함수 $ f(x) $ 는 채널 조건에 따라 볼록 또는 단조 증가 함수이며, 이는 조각별 분석을 통해 효율적인 최적화가 가능함을 의미한다.