[论文解读] Robust and Secure Resource Allocation for Full-Duplex MISO Multicarrier NOMA Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 33被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种针对全双工MISO多载波NOMA系统的最优鲁棒与安全资源分配框架，通过联合优化波束成形、人工噪声、子载波分配与功率控制，在窃听者信道状态信息（CSI）不完美及服务质量（QoS）约束条件下，最大化加权和吞吐量。该方法实现了高保密速率，优于传统的OMA和基准NOMA方案，且低复杂度次优算法的性能与最优解非常接近。

ABSTRACT

In this paper, we study the resource allocation algorithm design for multiple-input single-output (MISO) multicarrier non-orthogonal multiple access (MC-NOMA) systems, in which a full-duplex base station serves multiple half-duplex uplink and downlink users on the same subcarrier simultaneously. The resource allocation is optimized for maximization of the weighted system throughput while the information leakage is constrained and artificial noise is injected to guarantee secure communication in the presence of multiple potential eavesdroppers. To this end, we formulate a robust non-convex optimization problem taking into account the imperfect channel state information (CSI) of the eavesdropping channels and the quality-of-service (QoS) requirements of the legitimate users. Despite the non-convexity of the optimization problem, we solve it optimally by applying monotonic optimization which yields the optimal beamforming, artificial noise design, subcarrier allocation, and power allocation policy. The optimal resource allocation policy serves as a performance benchmark since the corresponding monotonic optimization based algorithm entails a high computational complexity. Hence, we also develop a low-complexity suboptimal resource allocation algorithm which converges to a locally optimal solution. Our simulation results reveal that the performance of the suboptimal algorithm closely approaches that of the optimal algorithm. Besides, the proposed optimal MISO NOMA system can not only ensure downlink and uplink communication security simultaneously but also provides a significant system secrecy rate improvement compared to traditional MISO orthogonal multiple access (OMA) systems and two other baseline schemes.

研究动机与目标

• 设计一种在窃听者CSI不完美条件下的全双工MISO多载波NOMA系统的鲁棒且安全的资源分配策略。
• 在满足合法用户QoS要求并限制信息泄露的前提下，最大化加权系统吞吐量。
• 在非凸、组合性及鲁棒优化约束下，联合优化波束成形、人工噪声、子载波分配与功率分配。
• 开发一种低复杂度次优算法，以显著降低计算成本的方式，紧密逼近最优解。

提出的方法

• 在CSI不完美及保密约束条件下，建立联合波束成形、人工噪声、子载波与功率分配的非凸优化问题。
• 通过利用拉格朗日对偶问题的结构及KKT条件，应用单调优化方法实现问题的最优求解。
• 推导出最优波束成形解为一个与推导出的正定矩阵主特征向量对齐的秩一波束成形器。
• 利用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件刻画最优波束成形与对偶变量，确保解的可行性与最优性。
• 提出一种低复杂度次优算法，通过迭代优化收敛至局部最优解。
• 引入人工噪声以在不影响合法用户的情况下，恶化窃听者信道，从而增强保密性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在全双工MISO多载波NOMA系统中联合优化资源分配，以在窃听者CSI不完美条件下最大化系统吞吐量？
• RQ2 何种最优波束成形与人工噪声设计可确保安全通信，同时满足上下行用户的服务质量约束？
• RQ3 所提出的鲁棒优化框架如何处理子载波与用户配对分配的非凸性与组合性？
• RQ4 与传统OMA和基准NOMA系统相比，所提方案在保密速率方面提升了多少？
• RQ5 低复杂度次优算法在吞吐量与保密速率方面，与最优解的性能接近程度如何？

主要发现

• 与传统的MISO OMA及另外两种基准方案相比，最优资源分配策略显著提升了系统保密速率。
• 所提出的次优算法性能极为接近最优算法，展现出接近最优的吞吐量，同时计算复杂度显著降低。
• 最优波束成形解始终为秩一，且与推导出矩阵的主特征向量对齐，确保能量效率与干扰管理。
• 人工噪声被有效设计为恶化窃听者信道，同时保持合法用户的服务质量。
• 系统实现了全双工操作与NOMA多复用增益下的安全上下行同时传输。
• 在CSI不完美条件下，鲁棒设计确保了即使窃听者信道估计不准确，系统性能依然可靠。