[论文解读] Multi-Objective Beamforming for Secure Communication in Systems with Wireless Information and Power Transfer

Derrick Wing Kwan Ng, Lin Xiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于支持同时无线信息与能量传输（SWIPT）的多用户MISO下行链路系统的多目标波束成形设计，联合最小化总发射功率并最大化能量采集效率，同时满足保密速率约束。该方案利用人工噪声实现双重功能传输，通过半定规划（SDP）松弛方法获得近似最优性能，且具有可证明的秩一结构；同时提出复杂度更低的次优方案。

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.

研究动机与目标

• 解决在支持无线信息与能量传输（SWIPT）的多用户MISO系统中，总发射功率最小化与能量采集效率最大化之间的权衡问题。
• 通过为合法用户引入保密速率约束，确保物理层安全，防范空闲接收机的窃听行为。
• 利用人工噪声实现双重功能：同时恶化窃听者信道质量，提升合法接收机的能量采集效率。
• 通过半定规划（SDP）松弛方法，为非凸多目标优化问题提供计算上可行的解决方案。
• 提出低复杂度的次优方案，在降低计算负载的同时保持高性能。

提出的方法

• 建立一个非凸多目标优化问题，以在保密速率约束下平衡发射功率最小化与能量采集效率最大化。
• 引入人工噪声传输，以同时恶化窃听者信道并提升空闲接收机的能量采集效率。
• 对原始问题应用半定规划（SDP）松弛，将其转化为可通过标准凸优化工具求解的凸形式。
• 通过证明在松弛后的SDP公式下，最优波束成形矩阵具有秩一结构，推导出全局最优性的充分条件。
• 基于松弛解提出两种次优功率分配方案，以在复杂度与性能之间进行权衡。
• 利用互补松弛性与KKT条件分析最优解的结构，证实当保密速率约束处于激活状态时，最优波束成形矩阵为秩一。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合设计人工噪声，以在SWIPT系统中同时提升物理层安全性和能量采集效率？
• RQ2 在具有保密约束的多用户MISO下行链路系统中，总发射功率与能量采集效率之间的最优权衡是什么？
• RQ3 非凸多目标波束成形问题能否通过SDP松弛方法有效求解，同时保持最优性保证？
• RQ4 保密速率要求对最优波束成形矩阵与人工噪声协方差矩阵结构有何影响？
• RQ5 次优方案在性能与复杂度方面与SDP松弛后的最优解相比如何？

主要发现

• 当保密速率约束处于激活状态时，通过SDP松弛导出的最优波束成形解保证为秩一，确保了可行的发射波束成形器。
• 所提出的基于SDP的解决方案在发射功率最小化与能量采集效率最大化之间实现了近似最优的平衡，且具有可证明的全局最优性充分条件。
• 数值结果表明，总发射功率与能量采集效率之间存在清晰的权衡关系，验证了多目标设计的有效性。
• 所提出的两种次优方案在性能上接近最优SDP解，同时显著降低了计算复杂度。
• 人工噪声被证明能有效同时实现通信安全与能量采集效率提升，验证了其在SWIPT系统中双重功能的合理性。
• 松弛后的SDP问题满足Slater条件，确保KKT条件对最优性而言既是必要也是充分的。