[论文解读] Secure SWIPT in the Multiuser STAR-RIS Aided MISO Rate Splitting Downlink

Hamid Reza Hashempour, Hamed Bastami+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 44被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种在多用户STAR-RIS辅助MISO下行链路网络中采用速率分割多址接入（RSMA）的可靠同时无线信息与能量传输（SWIPT）系统。通过在非完美信道状态信息（CSI）条件下联合优化预编码与STAR-RIS波束成形，该方案最大化了最坏情况下的总和保密速率，利用两步SPCA-based迭代算法提升了物理层安全性和频谱效率。

ABSTRACT

Recently, simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) have emerged as a novel technology that provides 360 coverage and new degrees-of-freedom (DoFs). They are also capable of manipulating signal propagation and simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). This paper introduces a novel STAR-RIS-aided secure SWIPT system for downlink multiple input single output rate-splitting multiple access (RSMA) networks. The transmitter concurrently communicates with the information receivers (IRs) and sends energy to untrusted energy receivers (UERs). The UERs are also capable of wiretapping the IR streams. We assume that the channel state information (CSI) of the IRs is known at the information transmitter, but only imperfect CSI for the UERs is available at the energy transmitter. By exploiting RSMA, the base station splits the messages of the IRs into common and private parts. The former is encoded into a common stream that can be decoded by all IRs, while the private messages are individually decoded by their respective IRs. We find the precoders and STAR-RIS configuration that maximizes the achievable worst-case sum secrecy rate of the IRs under a total transmit power constraint, a sum energy constraint for the UERs, and subject to constraints on the transmission and reflection coefficients. The formulated problem is non-convex and has intricately coupled variables. To tackle this challenge, a suboptimal two-step iterative algorithm based on the sequential parametric convex approximation method is proposed. Simulations demonstrate that the RSMA-based algorithm implemented with a STAR-RIS enhances both the rate of confidential information transmission and the total spectral efficiency. Furthermore, our method surpasses the performance of both orthogonal multiple access (OMA) and non-OMA (NOMA).

研究动机与目标

• 解决在存在可信任能量接收者（UERs）可能窃听信息流的多用户MISO网络中，下行链路通信的安全性挑战。
• 通过同时发射和反射智能反射面（STAR-RIS）实现全空间覆盖与能量收集，支持信息与能量的并行传输。
• 在总发射功率和总能量约束下，最大化信息接收者的最坏情况总和保密速率（WCSSR）。
• 在非完美CSI条件下，联合优化预编码器与STAR-RIS发射/反射波束成形。
• 设计一种鲁棒的、次优的迭代算法，以处理由耦合变量和信道不确定性引起的非凸性问题。

提出的方法

• 采用速率分割多址接入（RSMA）将消息划分为公共流与私有流，使接收端能够通过逐次干扰消除实现干扰管理。
• 建立系统模型：基站（BS）向STAR-RIS的透射与反射空间中的信息接收者（IRs）和非可信能量接收者（UERs）同时传输信号。
• 采用顺序参数凸逼近（SPCA）方法，通过交替优化预编码器与STAR-RIS波束成形向量，实现迭代优化。
• 通过凸松弛方法处理由信道不确定性引起的非凸约束，采用范数有界CSI误差模型的最坏情况鲁棒优化方法。
• 引入辅助变量与DC（凸函数之差）分解方法，线性化保密速率与功率约束中的非凸项。
• 基于附录中的命题1，推导出最坏情况保密速率与能量收集约束的凸近似，从而实现可处理的优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在非可信能量接收者的多用户MISO SWIPT网络中，如何增强物理层安全性？
• RQ2 在非完美CSI条件下，如何实现预编码与STAR-RIS波束成形的最优联合设计以最大化保密速率？
• RQ3 RSMA与STAR-RIS的融合如何在全空间覆盖场景下提升频谱效率与安全能量传输性能？
• RQ4 在信道不确定性下，所提出的鲁棒算法相比传统方案的性能增益如何？
• RQ5 能否通过可处理的迭代优化框架，在联合功率与能量约束下最大化最坏情况保密速率？

主要发现

• 所提出的基于RSMA的方案相较于传统NOMA与SDMA，在STAR-RIS辅助网络中显著提升了最坏情况总和保密速率（WCSSR）。
• 两步SPCA-based迭代算法收敛稳定，且在低复杂度下实现接近最优的性能。
• 由于对信道不确定性采用鲁棒优化，系统即使在UERs的CSI不完美时仍能维持安全通信。
• STAR-RIS实现了360°覆盖，支持信息与能量的并行传输，提升了网络可持续性。
• 仿真结果表明，所提方案在频谱效率与保密性能方面均优于基准方案。
• 对非凸约束（如DC分解与一阶泰勒展开）采用凸近似，实现了高效且稳定的优化。