[论文解读] Robust Max-Min Fairness Energy Harvesting in Secure MISO Cognitive Radio With SWIPT

Fuhui Zhou, Zan Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 16被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在信道状态信息不完美条件下，针对具有同时无线信息与能量传输（SWIPT）的可靠安全MISO认知无线电网络的鲁棒最大-最小公平波束成形与功率分配设计。通过利用S-Procedure和半定松弛技术，该方法实现了最优的人工噪声辅助波束成形，以最大化最小能量采集，同时确保保密速率和干扰约束，揭示了保密速率与能量采集公平性之间的权衡关系。

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. Specifically, the max-min fairness energy harvesting problem is formulated under the bounded channel state information error model. A one-dimensional search algorithm based on ${\cal S} ext{-Procedure} $ is proposed to solve the problem. It is shown that the optimal robust secure beamforming can be achieved. 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

• 为解决频谱共享认知无线电网络中能量受限与安全挑战，特别是针对具备能量采集能力的接收机。
• 设计一种鲁棒波束成形方案，确保在信道状态信息（CSI）不完美条件下的安全通信与高效能量采集。
• 在最大-最小公平性下，优化所有能量采集接收机中最小采集能量，同时满足保密速率和主用户干扰约束。
• 联合设计人工噪声辅助波束成形与功率分配比例，以平衡保密速率与能量采集公平性。

提出的方法

• 在有界CSI误差模型下建立非凸优化问题，以最大化所有能量采集接收机中的最小采集能量。
• 应用半定松弛（SDR）与S-Procedure技术，将非凸问题转化为可处理的形式。
• 利用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）最优性条件推导必要条件，证明最优人工噪声协方差矩阵的秩为一。
• 通过单变量的一维搜索算法高效求解松弛后的问题，并恢复最优波束成形解。
• 集成对保密速率、对主用户干扰以及次用户接收机处功率分配比例的约束。
• 采用矩阵分解与不等式松弛技术，处理信道估计中的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CSI不完美条件下，如何为具有SWIPT的MISO认知无线电系统设计鲁棒波束成形，以同时确保安全通信与能量采集？
• RQ2 在最大-最小公平性下，次用户保密速率与所有能量采集接收机中最小采集能量之间的最优权衡是什么？
• RQ3 即使存在信道估计误差，是否仍可实现最优人工噪声辅助波束成形？最优人工噪声协方差矩阵的秩是多少？
• RQ4 基于S-Procedure与SDR的一维搜索算法如何高效地实现最优解？

主要发现

• 最优鲁棒安全波束成形解始终可实现，且证明最优人工噪声协方差矩阵的秩恒为一。
• 基于S-Procedure与SDR的一维搜索算法能够高效收敛至非凸问题的全局最优解。
• 揭示了在最大-最小公平性下，次用户保密速率与所有能量采集接收机中最小采集能量之间的根本性权衡关系。
• 即使在有界CSI误差下，系统仍能实现安全通信并保证保密速率，同时确保能量采集的公平性。
• 仿真结果表明，所提方案在通道不确定性下，相较于传统波束成形设计，在公平性与鲁棒性方面表现更优。