[论文解读] Wireless Powered Cooperative Jamming for Secrecy Multi-AF Relaying Networks

Hong Xing, Kai‐Kit Wong+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 38被引用 7

一句话总结

本文提出了一种无线供能协作干扰方案，用于保密多放大-转发（AF）中继网络，其中能量采集中继将采集到的射频能量分配给信号转发和生成人工噪声以抑制窃听者。通过半定松弛方法，作者在单个中继功率约束下推导出最优波束成形与干扰设计的闭式解，相较于非协作和非无线供能基准方案，实现了显著的保密速率增益。

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.

研究动机与目标

• 解决在能量受限中继网络中，中继需在信号转发与干扰之间平衡的保密通信挑战。
• 在多个窃听者存在且中继能量采集受限的条件下，最大化多-AF中继网络的保密速率。
• 通过集中式与分布式策略，联合优化中继端的波束成形与人工噪声协方差。
• 验证所提方案相较于传统非无线供能和非协作干扰设计的性能增益。

提出的方法

• 在每个中继处采用动态功率分割（DPS）接收机，同时从源端采集能量并解调信息。
• 在第一阶段，源端通过波束成形同时向中继进行无线信息与能量传输（SWIPT）。
• 在第二阶段，每个中继使用部分采集到的能量进行放大-转发中继，另一部分用于生成人工噪声（AN）以干扰窃听者。
• 采用半定松弛（SDR）方法求解在单个中继功率约束下的非凸保密速率最大化问题，并证明了松弛的紧致性。
• 在具备全局信道状态信息（CSI）的集中式情况下，推导出最优AF中继波束成形与AN协方差矩阵的闭式解。
• 提出一种完全分布式算法，仅依赖每个中继的局部CSI，作为性能基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用无线能量采集，在不耗尽中继电池的前提下，实现在多-AF中继网络中的协作干扰？
• RQ2 在单个中继能量约束下，波束成形与人工噪声生成之间的最优权衡是什么？
• RQ3 半定松弛方法能否在该无线供能协作干扰设置中，获得紧致且闭式的解用于保密速率最大化？
• RQ4 集中式最优设计的性能与仅使用局部CSI的完全分布式方案相比如何？
• RQ5 所提方案相较于传统非无线供能和非协作干扰方法，可实现多大的保密速率增益？

主要发现

• 所提集中式方案在仿真中实现的保密速率显著优于非无线供能和非协作干扰基准方案。
• 半定松弛方法获得紧致解，从而能够推导出最优波束成形与人工噪声协方差的闭式表达式。
• 在单个中继功率约束下推导出最优波束成形与干扰设计，确保了实际可行性。
• 尽管次优，完全分布式算法仅依赖局部CSI，提供了一种可行的基准方案，适用于可扩展部署。
• 所推导的波束成形与AN设计即使在源-目的地直射链路不可用时也表现出鲁棒且高效。
• 该方案适用于无线传感器网络和能量受限的远程健康监测系统等实际应用场景。