[논문 리뷰] Wireless Powered Cooperative Jamming for Secrecy Multi-AF Relaying Networks

Hong Xing, Kai‐Kit Wong외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 11.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 38인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 기반 수신기와 함께 작동하는 비선형 증폭-전달(AF) 중계 네트워크에서 기밀성 다중 중계 네트워크를 위한 무선 전력 공급 협업 잡음 방식을 제안한다. 에너지 수확 중계기는 수확한 RF 에너지를 신호 전달과 가짜 잡음 생성에 나누어 사용하여 탈취자 억제를 달성한다. 준엄한 분해 기법을 사용하여 개별 중계기의 전력 제약 조건 하에서 최적의 비례형 및 잡음 설계를 달성하였으며, 비협업 및 비무선 전력 공급 기반 기준 대비 뚜렷한 기밀성 전송률 향상을 이룩하였다.

ABSTRACT

This paper studies secrecy transmission with the aid of a group of wireless energy harvesting (WEH)-enabled amplify-and-forward (AF) relays performing cooperative jamming (CJ) and relaying. The source node in the network does simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) with each relay employing a power splitting (PS) receiver in the first phase; each relay further divides its harvested power for forwarding the received signal and generating artificial noise (AN) for jamming the eavesdroppers in the second transmission phase. In the centralized case with global channel state information (CSI), we provide closed-form expressions for the optimal and/or suboptimal AF-relay beamforming vectors to maximize the achievable secrecy rate subject to individual power constraints of the relays, using the technique of semidefinite relaxation (SDR), which is proved to be tight. A fully distributed algorithm utilizing only local CSI at each relay is also proposed as a performance benchmark. Simulation results validate the effectiveness of the proposed multi-AF relaying with CJ over other suboptimal designs.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 중계 네트워크에서 중계기가 전달 기능과 잡음 생성 기능을 균형 있게 수행해야 하는 보안 통신 문제를 해결하기 위함.
• 다수의 탈취자가 존재하는 다중-AF 중계 네트워크에서 개별 중계기의 에너지 수확 제약 조건 하에 기밀성 전송률을 최대화하기 위함.
• 중앙집중식 및 분산 전략을 사용하여 중계기에서의 비례형 및 가짜 잡음 공분산을 공동 최적화하기 위함.
• 기존의 비무선 전력 공급 및 비협업 잡음 설계 방식 대비 제안된 방식의 성능 향상을 검증하기 위함.

제안 방법

• 각 중계기에 동적 전력 분할(DPS) 수신기를 적용하여 원천으로부터 동시에 에너지 수확과 정보 복원을 수행한다.
• 첫 번째 단계에서 원천은 비례형을 통해 중계기들에게 동시에 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 수행한다.
• 두 번째 단계에서 각 중계기는 수확한 에너지의 일부를 증폭-전달 중계에 사용하고, 나머지 일부는 탈취자를 혼란스럽게 만들기 위해 가짜 잡음(AN)을 생성한다.
• 개별 중계기 전력 제약 조건 하에서 비볼록 기밀성 전송률 최적화 문제를 해결하기 위해 준엄한 분해(SDR) 기법을 사용하였으며, 분해의 타당성을 입증하였다.
• 전역 채널 상태 정보(CSI)가 있는 중앙집중식 경우에 대해 최적의 AF 중계기 비례형 및 AN 공분산 행렬에 대한 폐형 해를 유도하였다.
• 각 중계기에서 국소 CSI만을 사용하는 완전히 분산된 알고리즘을 제안하여 성능 기준으로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 수확을 활용하여 배터리 고갈 없이 다중-AF 중계 네트워크에서 협업 잡음을 구현할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 개별 중계기 에너지 제약 조건 하에서 비례형 설계와 가짜 잡음 생성 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 준엄한 분해 기법이 이 무선 전력 공급 협업 잡음 환경에서 기밀성 전송률 최적화 문제에 대해 타당하고 폐형 해를 도출할 수 있는가?
• RQ4 전역 CSI를 사용하는 중앙집중식 최적 설계의 성능은 국소 CSI만을 사용하는 완전히 분산된 설계와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 기존의 비무선 전력 공급 및 비협업 잡음 설계 방식 대비 제안된 방식의 기대 기밀성 전송률 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 중앙집중식 설계는 시뮬레이션 결과에서 비무선 전력 공급 및 비협업 잡음 기준 대비 기밀성 전송률에서 뚜렷한 우월성을 확보하였다.
• 준엄한 분해 기법은 타당한 해를 도출하여 최적의 비례형 및 가짜 잡음 공분산에 대한 폐형 표현식을 가능하게 하였다.
• 개별 중계기 전력 제약 조건 하에서 최적의 비례형 및 잡음 설계가 유도되었으며, 실용적인 적용 가능성을 보장하였다.
• 완전히 분산된 알고리즘은 최적해가 아니지만 국소 CSI만으로도 실현 가능하며, 확장 가능한 구현에 적합한 성능 기준을 제공한다.
• 직접 링크가 존재하지 않는 경우에도 유도된 비례형 및 AN 설계는 강건하고 효과적임을 입증하였다.
• 이 설계는 에너지 제약이 있는 중계기가 포함된 실생활 응용 분야, 예를 들어 무선 센서 네트워크 및 원격 건강 모니터링 시스템 등에 적용 가능하다.