[论文解读] Multi-Objective Optimization for Robust Power Efficient and Secure Full-Duplex Wireless Communication Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 17被引用 9

一句话总结

本文提出了一种全双工（FD）无线系统的多目标优化框架，旨在联合最小化下行链路和上行链路的发射功率，同时确保对窃听者的物理层安全。通过加权Tchebycheff方法和半定规划（SDP）松弛，该方法在信道状态信息不完善的情况下实现了鲁棒的资源分配，仿真结果验证了功率效率与安全性能之间的权衡。

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.

研究动机与目标

• 解决全双工（FD）多用户系统中最小化总下行链路和上行链路发射功率的冲突设计目标。
• 在存在潜在窃听者的情况下，确保下行链路和上行链路传输的安全通信。
• 将窃听链路和用户间干扰信道的不完美信道状态信息（CSI）纳入考虑，以实现鲁棒的资源分配。
• 开发一种可处理的优化框架，联合优化全双工系统中的功率效率和物理层安全。
• 尽管问题具有非凸性，仍通过半定规划（SDP）松弛实现全局最优解。

提出的方法

• 采用加权Tchebycheff方法将资源分配问题建模为多目标优化问题（MOOP），以平衡下行链路和上行链路功率最小化。
• 为所有合法用户引入服务质量（QoS）约束，并加入保密速率要求，以确保安全传输。
• 对窃听和用户间干扰信道的不完美CSI进行建模，以增强对信道估计误差的鲁棒性。
• 应用半定规划（SDP）松弛求解非凸MOOP，并证明最优解始终为秩一，从而支持实际波束成形设计。
• 通过分析拉格朗日对偶问题，推导出最优性的必要条件，并建立波束成形矩阵的秩一结构。
• 即使下行链路功率的加权参数为零，也能构建波束成形矩阵的全局最优秩一解。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有物理层安全约束的全双工多用户系统中，下行链路与上行链路发射功率之间的最优权衡是什么？
• RQ2 当窃听者和干扰链路的信道状态信息不完善时，如何设计鲁棒的资源分配？
• RQ3 对于具有保密约束的全双工系统中的非凸多目标优化问题，能否实现全局最优解？
• RQ4 残留自干扰和同频干扰对安全全双工系统性能有何影响？
• RQ5 所提方法如何确保波束成形解保持为秩一，从而支持实际实现？

主要发现

• 所提算法通过SDP松弛实现全局最优解，所有波束成形矩阵均被证明为秩一，支持实际实现。
• 仿真结果表明下行链路与上行链路发射功率之间存在清晰的权衡，验证了多目标优化框架的有效性。
• 系统通过全双工基站实现了安全的上行链路传输，而半双工基站则无法实现此功能。
• 对窃听者的鲁棒性得到验证，即使在窃听链路的CSI不完善时，性能仍能保持稳定。
• 该方法成功处理了残留自干扰和同频干扰，确保所有用户均满足QoS和保密速率要求。
• 无论下行链路功率最小化是否被优先考虑（λ₁ = 0），最优波束成形矩阵的秩一结构均通过理论分析得到证明。