[论文解读] Robust Security Energy Efficiency Optimization for RIS-Aided Cell-Free Networks with Multiple Eavesdroppers

Wanming Hao, Junjie Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种在存在多个窃听者的情况下，针对可重构智能表面（RIS）辅助的无蜂窝（CF）网络的鲁棒能效（EE）优化框架，通过联合优化基站的主动波束成形、人工噪声以及RIS的被动波束成形，实现了优异的保密能效（SEE）。该方法基于分数规划、CCCP和SDP的迭代算法，在完美与非完美信道状态信息（CSI）条件下均表现出显著增益。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the energy efficiency (EE) problem under reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided secure cell-free networks, where multiple legitimate users and eavesdroppers (Eves) exist. We formulate a max-min secure EE optimization problem by jointly designing the distributed active beamforming and artificial noise at base stations as well as the passive beamforming at RISs under practical constraints. To deal with it, we first divide the original optimization problem into two sub-ones, and then propose an iterative optimization algorithm to solve each sub-problem based on the fractional programming, constrained convex-convex procedure (CCCP) and semi-definite programming (SDP) techniques. After that, these two sub-problems are alternatively solved until convergence, and the final solutions are obtained. Next, we extend to the imperfect channel state information of the Eves' links, and investigate the robust SEE beamforming optimization problem by bringing the outage probability constraints. Based on this, we first transform the uncertain outage probability constraints into the certain ones by the bernstein-type inequality and sphere boundary techniques, and then propose an alternatively iterative algorithm to obtain the solutions of the original problem based on the S-procedure, successive convex approximation, CCCP and SDP techniques. Finally, the simulation results are conducted to show the effectiveness of the proposed schemes.

研究动机与目标

• 解决在多个窃听者存在下，RIS辅助无蜂窝网络中最大化保密能效（SEE）的挑战。
• 克服现有研究仅关注频谱效率（SE）或假设完美CSI的局限性。
• 通过最大化最小用户SEE而非仅总SEE，确保系统公平性。
• 通过中断概率约束，考虑窃听信道的非完美CSI这一实际因素。
• 构建一种鲁棒优化框架，确保在信道不确定性下仍能保持高SEE。

提出的方法

• 通过联合设计基站的主动波束成形、人工噪声以及RIS的被动波束成形，构建最大最小SEE优化问题。
• 利用交替优化框架，将原始问题分解为两个子问题。
• 分别采用分数规划、约束凸-凸规划（CCCP）和半定规划（SDP）求解每个子问题。
• 利用伯恩斯坦型不等式与球面边界技术，将不确定的中断概率约束转化为确定性形式。
• 应用S-过程、连续凸逼近（SCA）、CCCP与SDP，求解非完美CSI下的鲁棒SEE问题。
• 通过迭代交替求解两个子问题，直至收敛，获得最终的波束成形解。

Figure 2: SEE versus the number of iterations.

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在多个合法用户与窃听者的RIS辅助无蜂窝网络中，如何最大化保密能效（SEE）？
• RQ2 窃听链路的非完美信道状态信息（CSI）对SEE有何影响？如何确保系统的鲁棒性？
• RQ3 基站（BS）数量、RIS单元数、用户数与窃听者数如何影响SEE与系统公平性？
• RQ4 联合主动与被动波束成形设计能否在保持用户间公平性的同时提升SEE？
• RQ5 在RIS辅助的无蜂窝网络中，SEE、系统总速率与电路功耗之间存在何种权衡？

主要发现

• 在完美CSI条件下，所提方案的SEE优于现有方案，尤其在注重公平性的场景中表现更优。
• 无论在完美还是非完美CSI条件下，SEE均随RIS单元数的增加而提升，验证了RIS部署的优势。
• 由于窃听速率提高，SEE随窃听者数量增加而下降；同时，用户数增加导致干扰加剧，SEE亦随之降低。
• SEE随基站数量先增加后减小，揭示了频谱增益与电路功耗之间的权衡关系。
• 在非完美CSI下，SEE随信道误差水平增加而下降，但所提鲁棒方案仍优于非鲁棒方案。
• 所提方案确保的最小用户SEE高于仅优化总SEE的方案，证实了在SEE略有降低的情况下，公平性显著提升。

Figure 3: SEE versus BS transmit power $P_{b}$ .