[论文解读] QoS-Based Source and Relay Secure Optimization Design with Presence of Channel Uncertainty

Meng Zhang, Jian Huang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2020

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 11被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种在信道不确定性下针对安全中继辅助网络的鲁棒QoS感知波束成形设计，旨在最小化源节点与中继的总发射功率，同时确保合法用户的服务质量（QoS）并约束窃听者的信噪比（SNR）低于某一阈值。通过采用范数有界误差模型描述中继-窃听者信道的不确定性，并结合基于随机化的优化方法，该方案即使在信道状态信息（CSI）不完整的情况下也能实现可靠的保密性能，优于非鲁棒设计在控制窃听者SNR约束方面的表现。

ABSTRACT

In this letter, we study relay-aided networks with presence of single eavesdropper. We provide joint beamforming design of the source and relay that can minimize the overall power consumption while satisfying our predefined quality-of-service (QoS) requirements. Additionally, we investigate the case that the channel between relay and eavesdropper suffers from channel uncertainty. Finally, simulation results are provided to verify the effectiveness of our algorithm.

研究动机与目标

• 解决由于被动窃听导致窃听者信道状态信息（CSI）不完整时，中继辅助网络中的安全通信挑战。
• 在满足合法用户服务质量（QoS）要求的前提下，最小化源节点与中继的总发射功率。
• 在存在信道不确定性的情况下，确保窃听者的信噪比（SNR）始终低于预设阈值。
• 构建一个鲁棒优化框架，考虑中继-窃听者链路中的范数有界信道误差。

提出的方法

• 在QoS与保密性约束下，将联合源与中继波束成形设计建模为一个半定规划（SDP）问题。
• 采用范数有界误差模型描述中继-窃听者信道的不确定性，即真实信道位于估计信道的球形邻域内。
• 利用S-引理与Schur补引理，将非凸的鲁棒优化问题转化为可处理的凸松弛形式。
• 应用随机化技术，从对偶解中生成候选波束成形向量，并通过α与β进行缩放以满足约束条件。
• 将缩放后的波束成形器作为次优解，从K次随机化中选择最优者作为最终输出。
• 利用向量化与Kronecker积运算，以紧凑且计算可管理的形式表达鲁棒性约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在信道不确定性的情况下，如何优化联合源与中继波束成形，以最小化总功率消耗，同时保持合法用户的QoS？
• RQ2 CSI不完善对窃听者SNR有何影响？如何通过设计确保其被限制在安全范围内？
• RQ3 与非鲁棒设计相比，所提出的鲁棒波束成形方案在功率效率与窃听者SNR控制方面表现如何？
• RQ4 基于随机化的方案能否有效从松弛后的SDP对偶问题中恢复出可行且接近最优的波束成形解？

主要发现

• 由于考虑了最坏情况下的信道误差，鲁棒预编码方案的功率消耗高于非鲁棒方案，但这是在不确定性环境下保证可靠性的必要代价。
• 在固定QoS阈值下，提高保密性阈值（即更严格地限制窃听者SNR）会导致功率消耗上升，符合预期。
• 非鲁棒方案在近一半的信道实现中未能满足窃听者SNR约束，而鲁棒方案则使绝大多数窃听者SNR保持在阈值以下。
• 尽管设计对最坏情况误差具有鲁棒性，但由于最坏情况设计的保守性，仍有部分窃听者SNR超过阈值，表明在权衡方面仍有改进空间。
• 仿真结果验证了所提算法在信道不确定性下能有效维持保密性与QoS，证实了其鲁棒性与实用性。