[论文解读] Energy Harvesting for Physical-Layer Security in OFDMA Networks

Meng Zhang, Yuan Liu|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2015

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 28被引用 5

一句话总结

本文提出了一种下行链路OFDMA网络中联合子载波分配与功率分裂优化框架，旨在最大化能量采集的同时确保每个用户的保密速率需求。通过在所有子载波上采用统一的功率分裂比例建模，作者提出了两种次优算法——迭代算法与两步法，展示了在降低复杂度的同时接近最优性能。

ABSTRACT

In this paper, we study the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in downlink multiuser orthogonal frequency-division multiple access (OFDMA) systems, where each user applies power splitting scheme to coordinate the energy harvesting and secrecy information decoding processes. Assuming equal power allocation across subcarriers, we formulate the problem to maximize the aggregate harvested power of all users while satisfying secrecy rate requirement of individual user by joint subcarrier allocation and optimal power splitting ratio selection. Due to the NP-hardness of the problem, we propose two suboptimal algorithms to solve the problem in the dual domain. The first one is an iterative algorithm that optimizes subcarrier allocation and power splitting in an alternating way. The second algorithm is based on a two-step approach that solves the subcarrier allocation and power splitting sequentially. The numerical results show that the proposed methods outperform conventional methods. It is also shown that the iterative algorithm performs close to the upper bound and the step-wise algorithm provides good tradeoffs between performance and complexity.

研究动机与目标

• 解决在接收机共置的多用户OFDMA系统中，同时实现物理层安全与能量采集的挑战。
• 建立一个混合整数非线性规划问题，以在个体用户保密速率约束下最大化总采集能量。
• 通过提出两种多项式时间次优算法，克服该问题的NP难复杂度。
• 通过在每个用户的所有子载波上强制采用统一的功率分裂比例（而非逐子载波动态分裂），确保实际可行性。
• 在实际SWIPT-OFDMA系统中评估性能与计算复杂度之间的权衡。

提出的方法

• 将系统建模为下行链路多用户OFDMA网络，每个用户采用功率分裂，且所有子载波上应用相同的功率分裂比例。
• 将优化问题表述为在个体保密速率约束下最大化总采集功率，假设每个子载波上功率分配相等。
• 使用拉格朗日松弛与次梯度方法，将原始问题转化为对偶域问题，以处理NP难性质。
• 提出一种迭代算法，通过对偶分解交替优化子载波分配与功率分裂比例。
• 设计一种两步算法，首先求解子载波分配，然后基于对偶变量确定最优功率分裂比例。
• 通过拉格朗日函数的偏导数推导出最优功率分裂比例的闭式表达式，并施加边界以确保可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接收机共置的OFDMA网络中，如何联合优化能量采集与物理层安全？
• RQ2 与传统方法相比，联合子载波分配与均匀功率分裂在SWIPT-OFDMA系统中的性能增益如何？
• RQ3 在性能与复杂度方面，迭代算法与两步算法相比如何？
• RQ4 所提出的次优算法能否实现接近理论上限的性能？
• RQ5 在子载波上强制采用统一功率分裂比例对系统保密速率与能量采集效率有何影响？

主要发现

• 迭代算法性能非常接近理论上限，表现出近似最优性。
• 两步算法在性能与计算复杂度之间提供了有利的权衡，适合实际部署。
• 数值结果证实，所提方法在能量采集与保密速率满足度方面优于传统方案。
• 最优功率分裂比例以闭式表达式推导得出，其依赖于信道增益、功率分配与保密速率约束。
• 基于对偶的方法确保收敛性与多项式时间复杂度，次梯度方法的总体复杂度为𝒪(K^{q+1}N)。
• 最优子载波分配通过最大化包含采集功率与保密速率的联合度量来确定，从而实现联合优化。