[论文解读] Collaborative Relay Beamforming for Secrecy

Junwei Zhang, M. Cenk Gursoy|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 22被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种协作中继波束成形技术，用于无线网络中的物理层安全通信，采用解码转发（DF）和放大转发（AF）中继方式，在总功率和个体中继功率约束下最大化保密速率。针对总功率约束下的DF，提供了解析解；针对个体功率约束，提出了基于半定规划（SDP）和第二类锥规划（SOCP）的高效优化框架，并针对信道状态信息（CSI）不完美情况设计了鲁棒方案。

ABSTRACT

In this paper, collaborative use of relays to form a beamforming system and provide physical-layer security is investigated. In particular, decode-and-forward (DF) and amplify-and-forward (AF) relay beamforming designs under total and individual relay power constraints are studied with the goal of maximizing the secrecy rates when perfect channel state information (CSI) is available. In the DF scheme, the total power constraint leads to a closed-form solution, and in this case, the optimal beamforming structure is identified in the low and high signal-to-noise ratio (SNR) regimes. The beamforming design under individual relay power constraints is formulated as an optimization problem which is shown to be easily solved using two different approaches, namely semidefinite programming and second-order cone programming. A simplified and suboptimal technique which reduces the computation complexity under individual power constraints is also presented. In the AF scheme, not having analytical solutions for the optimal beamforming design under both total and individual power constraints, an iterative algorithm is proposed to numerically obtain the optimal beamforming structure and maximize the secrecy rates. Finally, robust beamforming designs in the presence of imperfect CSI are investigated for DF-based relay beamforming, and optimization frameworks are provided

研究动机与目标

• 利用协作中继应对窃听者存在下的安全无线通信需求。
• 在总功率和个体中继功率约束下，最大化中继网络中的保密速率。
• 为基于DF的系统中不完美信道状态信息（CSI）设计鲁棒波束成形方案。
• 利用凸优化方法，为个体功率约束下的波束成形提供高效计算解。
• 在完美和不完美CSI条件下，对比DF与AF中继方案的性能表现。

提出的方法

• 将总功率约束下的DF波束成形问题建模为瑞利商问题，从而在低信噪比和高信噪比场景下获得闭式解。
• 采用半定松弛（SDR）将个体功率约束下的非凸波束成形问题转化为凸半定规划（SDP）问题。
• 将个体约束下的DF波束成形问题重新表述为第二类锥规划（SOCP），以实现高效的内点法求解。
• 提出一种简化的次优波束成形器，以降低个体功率约束下的计算复杂度。
• 为AF波束成形设计了一种迭代算法，以数值方式在总功率和个体功率约束下最大化保密速率。
• 提出基于有界CSI误差的最坏情况鲁棒波束成形设计，以及基于非中断概率的统计鲁棒设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在总功率约束下，低信噪比和高信噪比场景中，DF中继的最优波束成形结构是什么？
• RQ2 如何利用凸优化技术在个体中继功率约束下最大化保密速率？
• RQ3 在个体功率约束下，最优与次优波束成形设计之间的性能差距如何？
• RQ4 不完美CSI对保密速率性能有何影响？哪些鲁棒波束成形策略可缓解该影响？
• RQ5 在AF与DF中继波束成形中，总功率约束与个体功率约束对保密速率性能的影响有何差异？

主要发现

• 对于总功率约束下的DF，最优波束成形器与信道矩阵的广义特征向量对齐，且在低信噪比和高信噪比场景下可解析推导出其结构。
• 在个体功率约束下，SDR与SOCP方法的保密速率性能几乎相同，验证了凸松弛方法的有效性。
• 简化后的次优波束成形器相比SDR/SOCP方案存在恒定的速率损失，但显著降低了复杂度。
• 在AF中继中，所提出的可实现波束成形方案在总功率和个体功率约束下均接近最优保密速率，性能损失极小。
• 与总功率约束相比，施加个体中继功率约束仅导致保密速率轻微下降，表明系统具有较强鲁棒性。
• 在不完美CSI下，鲁棒波束成形设计在总功率20 dB、70%非中断概率条件下可支持约7.4 bit/symbol的保密速率，当非中断概率提高至95%时，速率下降至6.2 bit/symbol。