[论文解读] Secure SWIPT Networks Based on a Non-linear Energy Harvesting Model

Elena Boshkovska, Nikola Zlatanov+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型资源分配框架，用于采用非线性能量采集（EH）模型的安全SWIPT网络，通过优化发射波束成形和人工噪声协方差，以最大化采集到的能量，同时确保通信安全。该方法将非凸的比率之和问题转化为参数化相减形式，并通过迭代半定规划（SDP）松弛求解，实现了全局最优的秩一波束成形，且在能量采集和安全性方面优于基于线性EH的方案。

ABSTRACT

We optimize resource allocation to enable communication security in simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) for internet-of-things (IoT) networks. The resource allocation algorithm design is formulated as a non-convex optimization problem. We aim at maximizing the total harvested power at energy harvesting (EH) receivers via the joint optimization of transmit beamforming vectors and the covariance matrix of the artificial noise injected to facilitate secrecy provisioning. The proposed problem formulation takes into account the non-linearity of energy harvesting circuits and the quality of service requirements for secure communication. To obtain a globally optimal solution of the resource allocation problem, we first transform the resulting non-convex sum-of-ratios objective function into an equivalent objective function in parametric subtractive form, which facilitates the design of a novel iterative resource allocation algorithm. In each iteration, the semidefinite programming (SDP) relaxation approach is adopted to solve a rank-constrained optimization problem optimally. Numerical results reveal that the proposed algorithm can guarantee communication security and provide a significant performance gain in terms of the harvested energy compared to existing designs which are based on the traditional linear EH model.

研究动机与目标

• 为解决线性能量采集模型在SWIPT系统中的局限性，这些模型无法反映实际电路中的非线性特性。
• 联合优化发射波束成形与人工噪声协方差，以最大化能量采集接收机的总采集能量。
• 通过保证物理层安全下的服务质量（QoS）约束，确保通信安全。
• 为具有非线性EH约束的非凸资源分配问题开发全局最优解。
• 展示在能量采集和保密性方面相较于传统基于线性EH模型设计的性能增益。

提出的方法

• 将资源分配问题建模为具有非线性EH约束的非凸比率之和优化问题。
• 将非凸目标函数转化为等价的参数化相减形式，以支持迭代优化。
• 使用半定规划（SDP）松弛方法求解每次迭代中的秩约束子问题。
• 应用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件证明最优波束成形矩阵为秩一，确保实际可实现性。
• 引入人工噪声注入以恶化窃听者信道，同时最大化合法用户端的能量采集。
• 采用基于二分法的算法求解参数化问题，通过迭代精炼解直至收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 与线性模型相比，非线性能量采集模型如何影响安全SWIPT系统的设计？
• RQ2 在具有非线性EH的可靠SWIPT系统中，能否为非凸资源分配问题获得全局最优解？
• RQ3 人工噪声与波束成形设计对保密性和能量采集性能分别产生何种影响？
• RQ4 所提算法在能量采集与安全性方面相较于现有基于线性EH的方案有何表现？
• RQ5 在何种条件下最优波束成形解保持秩一，从而支持实际实现？

主要发现

• 所提算法通过将非凸比率之和问题转化为参数化相减形式，实现了全局最优的资源分配。
• 证明了最优波束成形矩阵为秩一，支持仅使用单路数据流的实际传输。
• 通过在人工噪声注入下满足保密速率约束，算法保证了通信安全性。
• 数值结果表明，与基于线性EH的方案相比，能量采集性能有显著提升。
• 在真实非线性EH电路模型下，该方法在能量采集效率和保密保障方面均优于现有方案。
• 基于迭代SDP的方法收敛至最大化总采集能量的解，同时保持QoS与保密性要求。