[论文解读] Power Allocation for Energy Efficiency and Secrecy of Interference Wireless Networks

Zhichao Sheng, Hoang Duong Tuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2017

Wireless Communication Security Techniques参考文献 21被引用 6

一句话总结

本文提出了一种低复杂度、快速收敛的路径跟踪算法，用于在干扰受限的无线网络中进行功率分配，以最大化最坏情况下的保密吞吐量或安全能量效率（SEE），适用于三种信道状态信息（CSI）场景：完美CSI、部分CSI（窃听者CSI分布已知）和鲁棒CSI（用户和窃听者CSI不完美）。关键贡献在于提出了一套统一框架，在所有CSI不确定性水平下均能实现高保密性能和高能效。

ABSTRACT

Considering a multi-user interference network with an eavesdropper, this paper aims at the power allocation to optimize the worst secrecy throughput among the network links or the secure energy efficiency in terms of achieved secrecy throughput per Joule under link security requirements. Three scenarios for the access of channel state information are considered: the perfect channel state information, partial channel state information with channels from the transmitters to the eavesdropper exponentially distributed, and not perfectly known channels between the transmitters and the users with exponentially distributed errors. The paper develops various path-following procedures of low complexity and rapid convergence for the optimal power allocation. Their effectiveness and viability are illustrated through numerical examples. The power allocation schemes are shown to achieve both high secrecy throughput and energy efficiency.

研究动机与目标

• 解决在存在窃听者的干扰受限多用户无线网络中，同时优化保密吞吐量和能效的挑战。
• 应对发射端通常缺乏完美信道状态信息（CSI），特别是对窃听者和用户链路的实用限制。
• 开发高效的功率分配策略，以在不同CSI质量下最大化最坏情况下的保密吞吐量和安全能量效率（SEE）。
• 设计对信道不确定性具有鲁棒性的算法，包括用户和窃听者信道中指数分布的误差。
• 确保低计算复杂度和快速收敛，适用于实际无线系统中的实时部署。

提出的方法

• 将功率分配问题建模为非凸优化问题，目标是在线性服务质量（QoS）约束下最大化最坏情况下的保密吞吐量或SEE。
• 基于连续凸逼近（SCA）和Dinkelbach方法开发路径跟踪算法，以处理分数规划和非凸性问题。
• 利用对数不等式（如 $\ln(1+1/t) \geq 1/(t+1)$）导出的紧致下界进行凸松弛，以近似非凸项。
• 应用函数 $f(x,y,t) = \ln(1+1/xy)^{1/t}$ 的凸性结果，以确保迭代算法的收敛性和稳定性。
• 引入信赖域技术与凸代理函数，以处理CSI中的不确定性，特别是用户和窃听者信道中的指数分布误差。
• 设计适应三种CSI场景的算法：完美CSI、部分CSI（已知窃听者信道分布）和鲁棒优化（用户和窃听者CSI不完美）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在窃听者的干扰受限无线网络中，如何优化功率分配以最大化最坏情况下的保密吞吐量？
• RQ2 当CSI不完美或仅统计已知时，最大化安全能量效率（SEE）的最优功率分配策略是什么？
• RQ3 路径跟踪算法在应用于非凸保密与能效优化问题时，其收敛速度和复杂度表现如何？
• RQ4 在保密吞吐量和SEE方面，完美CSI、部分CSI和鲁棒优化场景之间的性能差距是什么？
• RQ5 基于对数不等式的凸近似技术能否有效处理在信道不确定性下保密速率和SEE最大化所引发的非凸性问题？

主要发现

• 所提出的路径跟踪算法实现快速收敛和低计算复杂度，适用于实时部署。
• 该算法在所有三种CSI场景（完美、部分和鲁棒）下均能有效最大化最坏情况下的保密吞吐量和安全能量效率。
• 在用户和窃听者信道均存在指数分布误差的鲁棒场景下，算法仍能保持高性能。
• 数值结果表明，所提方案在保密吞吐量和SEE方面显著优于传统功率分配方法。
• 基于对数不等式的凸代理函数确保了向近似最优解的稳定且精确的收敛。
• 该框架具有可扩展性和适应性，为不同CSI不确定性程度下的功率分配提供统一解决方案。