[论文解读] Robust AN-Aided Beamforming and Power Splitting Design for Secure MISO Cognitive Radio With SWIPT

Fuhui Zhou, Zan Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 35被引用 12

一句话总结

该论文针对在信道状态信息（CSI）不完美条件下的安全MISO认知无线电网络，提出了一种鲁棒的人工噪声辅助波束成形与功率分配设计，支持同时无线信息与能量传输（SWIPT）。在有界和概率性CSI误差模型下，分别建立了发射功率最小化与最大-最小公平性能量采集问题，利用S-过程和伯恩斯坦型不等式，分别推导出最优与次优解，同时平衡了保密速率与能量采集性能。

ABSTRACT

A multiple-input single-output cognitive radio downlink network is studied with simultaneous wireless information and power transfer. In this network, a secondary user coexists with multiple primary users and multiple energy harvesting receivers. In order to guarantee secure communication and energy harvesting, the problem of robust secure artificial noise-aided beamforming and power splitting design is investigated under imperfect channel state information (CSI). Specifically, the transmit power minimization problem and the max-min fairness energy harvesting problem are formulated for both the bounded CSI error model and the probabilistic CSI error model. These problems are non-convex and challenging to solve. A one-dimensional search algorithm is proposed to solve these problems based on ${\cal S} ext{-Procedure} $ under the bounded CSI error model and based on Bernstein-type inequalities under the probabilistic CSI error model. It is shown that the optimal robust secure beamforming can be achieved under the bounded CSI error model, whereas a suboptimal beamforming solution can be obtained under the probabilistic CSI error model. A tradeoff is elucidated between the secrecy rate of the secondary user receiver and the energy harvested by the energy harvesting receivers under a max-min fairness criterion.

研究动机与目标

• 为解决能量受限接收机在认知无线电网络中次用户通信的安全性挑战。
• 设计鲁棒的波束成形与功率分配策略，确保在CSI不完美条件下的安全信息传输与高效能量采集。
• 在保密速率与多个能量采集接收机之间的能量采集公平性之间实现权衡。
• 在有界与概率性CSI误差模型下，建立并求解非凸优化问题。
• 分别利用S-过程与伯恩斯坦型不等式，提供最优与次优解。

提出的方法

• 在有界CSI误差模型下，利用S-过程建立发射功率最小化问题与最大-最小公平性能量采集问题，以增强鲁棒性。
• 应用伯恩斯坦型不等式处理概率性CSI误差模型，实现可解的近似求解。
• 采用半定松弛与对偶理论，通过拉格朗日对偶分解将非凸问题转化为可解形式。
• 利用部分KKT条件推导必要条件，并证明在可行条件下，最优波束成形解具有秩一结构。
• 采用一维搜索算法高效求解鲁棒波束成形问题。
• 集成人工噪声波束成形以增强物理层安全性，同时支持多个接收机的能量采集。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有界CSI误差下，如何设计鲁棒波束成形以确保MISO认知无线电网络中SWIPT的安全通信？
• RQ2 在CSI不完美条件下，保密速率与能量采集公平性之间的性能权衡如何体现？
• RQ3 概率性CSI误差模型如何影响SWIPT增强型CR系统中安全波束成形与功率分配的设计？
• RQ4 所提方法在不同CSI误差模型下能否实现最优或次优解？
• RQ5 在存在多个能量采集接收机的情况下，人工噪声对保密速率与能量采集效率有何影响？

主要发现

• 所提方法在有界CSI误差模型下，利用S-过程实现了最优鲁棒安全波束成形。
• 在概率性CSI误差模型下，利用伯恩斯坦型不等式获得次优波束成形解，确保鲁棒性的同时降低计算复杂度。
• 在最大-最小公平性准则下，明确揭示了次用户保密速率与能量采集接收机能量采集量之间的权衡关系。
• 在可行条件下，证明了波束成形矩阵的秩为一，从而支持最优解的高效实现。
• 一维搜索算法有效求解了非凸优化问题，确保收敛至最优或次优解。
• 数值结果表明，与传统波束成形设计相比，所提方案显著提升了保密速率与能量采集公平性。