[논문 리뷰] Multi-Objective Optimization for Robust Power Efficient and Secure Full-Duplex Wireless Communication Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 04.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 17인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다운링크 및 업링크 전송 전력의 공동 최소화와 함께 가로채기자에 대한 물리계층 보안을 확보하면서, 풀디럭스(FD) 무선 시스템을 위한 다목적 최적화 프레임워크를 제안한다. 가중치를 적용한 티히비체프 방법과 준정형계획법(SDP) 근사화를 통해 채널 상태 정보가 불완전한 상황에서도 강건한 자원 할당을 달성하며, 시뮬레이션 결과는 전력 효율성과 보안 성능 간의 트레이드오프를 확인한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the power efficient resource allocation algorithm design for secure multiuser wireless communication systems employing a full-duplex (FD) base station (BS) for serving multiple half-duplex (HD) downlink (DL) and uplink (UL) users simultaneously. We propose a multi-objective optimization framework to study two conflicting yet desirable design objectives, i.e., total DL transmit power minimization and total UL transmit power minimization. To this end, the weighed Tchebycheff method is adopted to formulate the resource allocation algorithm design as a multi-objective optimization problem (MOOP). The considered MOOP takes into account the quality-of-service (QoS) requirements of all legitimate users for guaranteeing secure DL and UL transmission in the presence of potential eavesdroppers. Thereby, secure UL transmission is enabled by the FD BS and would not be possible with an HD BS. The imperfectness of the channel state information of the eavesdropping channels and the inter-user interference channels is incorporated for robust resource allocation algorithm design. Although the considered MOOP is non-convex, we solve it optimally by semidefinite programming (SDP) relaxation. Simulation results not only unveil the trade-off between the total DL transmit power and the total UL transmit power, but also confirm the robustness of the proposed algorithm against potential eavesdroppers.

연구 동기 및 목표

• 풀디럭스(FD) 다중 사용자 시스템에서 전체 다운링크 및 업링크 전송 전력 최소화라는 상충되는 설계 목표를 해결하기 위해.
• 잠재적인 가로채기자 존재 시 다운링크 및 업링크 전송에 대한 안전한 통신을 보장하기 위해.
• 가로채기자 및 사용자 간 간섭 채널의 채널 상태 정보(CSI)가 불완전한 상황을 고려하여 강건한 자원 할당을 구현하기 위해.
• 전력 효율성과 물리계층 보안을 동시에 다루는 실용적인 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 비볼록 문제임에도 불구하고 준정형계획법(SDP) 근사화를 통해 전역 최적 해를 도출하기 위해.

제안 방법

• 다운링크 및 업링크 전력 최소화를 균형 있게 조정하기 위해 가중치를 적용한 티히비체프 방법을 사용하여 자원 할당 문제를 다목적 최적화 문제(MOOP)로 수식화한다.
• 모든 정상 사용자에 대한 품질보증(QoS) 제약 조건과 기밀성율 요구사항을 통합하여 안전한 전송을 보장한다.
• 가로채기자 및 사용자 간 간섭 채널의 채널 상태 정보가 불완전한 상황을 모델링하여 채널 추정 오차에 대한 강건성을 향상시킨다.
• 비볼록 MOOP 문제를 해결하기 위해 준정형계획법(SDP) 근사화를 적용하고, 최적 해가 항상 질량-1 랭크임을 증명하여 실용적인 비컨버전 설계를 가능하게 한다.
• 라그랑주 이중 문제를 분석하여 최적성의 필요 조건을 유도하고, 비컨버전 행렬의 랭크-1 구조를 확립한다.
• 다운링크 전력 최소화에 대한 가중치 파rameter가 0일 경우에도 전역 최적의 랭크-1 해를 구성할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리계층 보안 제약 조건이 존재하는 풀디럭스 다중 사용자 시스템에서 다운링크 및 업링크 전송 전력 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ2 가로채기자 및 간섭 링크의 채널 상태 정보가 불완전한 상황에서 어떻게 강건한 자원 할당을 설계할 수 있는가?
• RQ3 기밀성 제약 조건이 있는 풀디럭스 시스템에서 비볼록 다목적 최적화 문제에 대해 전역 최적 해를 달성할 수 있는가?
• RQ4 잔류 자기간섭과 동일 대역 간섭은 안전한 FD 시스템의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 방법은 비컨버전 설계가 가능하도록 비컨버전 행렬의 랭크-1 구조를 어떻게 보장하는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 SDP 근사화를 통해 전역 최적 해를 달성하며, 모든 비컨버전 행렬이 랭크-1임이 증명되어 실용적인 구현이 가능하다.
• 시뮬레이션 결과는 다운링크 및 업링크 전송 전력 간 명확한 트레이드오프가 존재함을 확인하며, 다목적 최적화 프레임워크의 효과성을 입증한다.
• FD 기지국을 통해 업링크 전송의 기밀성이 확보되며, 이는 하프디럭스 기지국으로서는 구현이 불가능한 사례이다.
• 가로채기자에 대한 강건성이 입증되었으며, 가로채기자 링크의 채널 상태 정보가 불완전한 상황에서도 성능이 유지됨을 확인하였다.
• 잔류 자기간섭과 동일 대역 간섭을 효과적으로 처리하여, 모든 사용자에 대해 QoS 및 기밀성율 요구사항을 유지함을 확인하였다.
• 다운링크 전력 최소화가 우선시되는 경우(λ₁ = 0)를 포함한 모든 경우에 대해 최적 비컨버전 행렬의 랭크-1 구조가 해석적으로 증명되었다.