[논문 리뷰] Multi-Objective Beamforming for Secure Communication in Systems with Wireless Information and Power Transfer

Derrick Wing Kwan Ng, Lin Xiang외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 29.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 고려한 보안성 있는 MISO 다운링크 시스템을 위한 다목적 beamforming 설계를 제안한다. 비밀성 전송율 제약 조건 하에 총 전송 전력 최소화와 에너지 수확 효율 최대화를 동시에 고려한다. 솔루션은 인공 노이즈를 활용하여 이중 목적 전송을 실현하며, 증명된 랭크-일치 구조를 가진 정규화된 준선형계획법(SDP)을 통해 거의 최적의 성능을 달성하고, 복잡도를 줄이기 위한 준최적 해법도 제안한다.

ABSTRACT

In this paper, we study power allocation for secure communication in a multiuser multiple-input single-output (MISO) downlink system with simultaneous wireless information and power transfer. The receivers are able to harvest energy from the radio frequency when they are idle. We propose a multi-objective optimization problem for power allocation algorithm design which incorporates two conflicting system objectives: total transmit power minimization and energy harvesting efficiency maximization. The proposed problem formulation takes into account a quality of service (QoS) requirement for the system secrecy capacity. Our designs advocate the dual use of artificial noise in providing secure communication and facilitating efficient energy harvesting. The multi-objective optimization problem is non-convex and is solved by a semidefinite programming (SDP) relaxation approach which results in an approximate of solution. A sufficient condition for the global optimal solution is revealed and the accuracy of the approximation is examined. To strike a balance between computational complexity and system performance, we propose two suboptimal power allocation schemes. Numerical results not only demonstrate the excellent performance of the proposed suboptimal schemes compared to baseline schemes, but also unveil an interesting trade-off between energy harvesting efficiency and total transmit power.

연구 동기 및 목표

• 다중 사용자 MISO 시스템에서 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 고려할 때, 총 전송 전력 최소화와 에너지 수확 효율 최대화 사이의 상충 관계를 해결하기.
• 무단 수신자로부터의 도청을 고려하여 합법 사용자의 비밀성 전송율 제약 조건을 도입함으로써 물리계층 보안을 확보하기.
• 인공 노이즈를 활용하여 이중 기능을 실현하기: 무단 수신자의 채널을 악화시키면서도 합법 수신자의 에너지 수확을 향상시키기.
• 비볼록 다목적 최적화 문제를 위한 계산 가능성을 확보하기 위해 준선형계획법(SDP) 정규화를 통한 해법 개발하기.
• 계산 복잡도를 줄이기 위해 고성능을 유지하는 저복잡도 준최적 해법 제안하기.

제안 방법

• 비볼凸 다목적 최적화 문제를 수립하여, 비밀성 전송율 제약 조건 하에 전송 전력 최소화와 에너지 수확 효율 최대화를 균형 있게 고려한다.
• 무단 수신자의 채널을 악화시키고 동시에 정지 상태의 수신자에서의 에너지 수확을 향상시키기 위해 인공 노이즈 전송을 도입한다.
• 기존 문제를 준선형계획법(SDP) 정규화를 적용하여 볼록 형태로 변환하고, 표준 볼록 최적화 도구를 통해 해를 구한다.
• 정규화된 SDP 공식화 하에서 최적 beamforming 행렬이 랭크-일치임을 증명함으로써 전역 최적성에 대한 충분 조건을 유도한다.
• 정규화된 해를 기반으로 두 가지 준최적 전력 할당 방식을 제안하여 복잡도와 성능 사이의 트레이드오���을 조정한다.
• 보완성 조건과 KKT 조건을 활용하여 최적 해의 구조를 분석하고, 비밀성 전송율 제약 조건이 활성화된 경우 최적 beamforming 행렬이 랭크-일치임을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SWIPT 시스템에서 인공 노이즈를 어떻게 공동 설계하여 물리계층 보안과 에너지 수확 효율을 동시에 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 비밀성 제약 조건이 있는 다중 사용자 MISO 다운링크 시스템에서 총 전송 전력과 에너지 수확 효율 사이의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 비볼凸 다목적 beamforming 문제는 SDP 정규화를 통해 효과적으로 해결될 수 있으며, 최적성 보장 조건을 유지할 수 있는가?
• RQ4 비밀성 전송율 요구사항은 최적 beamforming 및 인공 노이즈 공분산 행렬의 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 준최적 해법은 SDP 정규화 최적 해법에 비해 성능과 복잡도 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 비밀성 전송율 제약 조건이 활성화된 경우, SDP 정규화를 통한 최적 beamforming 해는 반드시 랭크-일치임이 보장되어 있어, 타당한 전송 beamformer를 확보할 수 있다.
• 제안된 SDP 기반 해법은 전송 전력 최소화와 에너지 수확 효율 최대화 사이의 거의 최적의 균형을 달성하며, 전역 최적성에 대한 증명된 충분 조건을 제공한다.
• 수치 결과는 총 전송 전력과 에너지 수확 효율 사이에 명확한 트레이드오프가 존재함을 확인하며, 다목적 설계의 효과성을 입증한다.
• 제안된 두 가지 준최적 해법은 최적 SDP 해에 비해 성능은 거의 유사하지만, 계산 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 인공 노이즈가 동시에 통신 보안 향상과 에너지 수확 향상에 효과적임을 입증하며, SWIPT 시스템에서의 이중 목적 역할을 검증한다.
• 정규화된 SDP 문제는 Slater 조건을 만족하므로, KKT 조건이 최적성에 대해 필요 및 충분 조건이 된다.