[论文解读] Secure Transmission and Self-Energy Recycling for Wireless-Powered Relay Systems with Partial Eavesdropper Channel State Information

Jingping Qiao, Haixia Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 34被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种全双工、自能量回收（S-ER）中继方案，适用于部分窃听信道状态信息（ECSI）的无线供电系统，实现了同时的能量采集与安全信息传输。通过联合优化波束成形与功率分配，该方案在传统时隙切换中继（TSR）方案基础上实现了高达80%的最坏情况保密速率（WCSR）增益，同时将环回干扰能量用于中继，并通过多天线利用提升了频谱效率。

ABSTRACT

This paper focuses on the secure transmission of wireless-powered relay systems with imperfect eavesdropper channel state information (ECSI). For efficient energy transfer and information relaying, a novel two-phase protocol is proposed, in which the relay operates in full-duplex (FD) mode to achieve simultaneous wireless power and information transmission. Compared with those existing protocols, the proposed design possesses two main advantages: 1) it fully exploits the available hardware resource (antenna element) of relay and can offer higher secrecy rate; 2) it enables self-energy recycling (S-ER) at relay, in which the loopback interference (LI) generated by FD operation is harvested and reused for information relaying. To maximize the worst-case secrecy rate (WCSR) through jointly designing the source and relay beamformers coupled with the power allocation ratio, an optimization problem is formulated. This formulated problem is proved to be non-convex and the challenge to solve it is how to concurrently solve out the beamformers and the power allocation ratio. To cope with this difficulty, an alternative approach is proposed by converting the original problem into three subproblems. By solving these subproblems iteratively, the closed form solutions of robust beamformers and power allocation ratio for the original problem are achieved. Simulations are done and results reveal that the proposed S-ER based secure transmission scheme outperforms the traditional time-switching based relaying (TSR) scheme at a maximum WCSR gain of 80%.Results also demonstrate that the WCSR performance of the scheme reusing idle antennas for information reception is much better than that of schemes exploiting only one receive antenna.

研究动机与目标

• 解决在窃听信道状态信息（ECSI）不完整的情况下，无线供电系统中安全且能量受限的中继通信挑战。
• 通过回收环回干扰（LI）能量用于信息中继，克服全双工（FD）中继中LI导致的保密速率下降问题。
• 在ECSI不完整条件下，通过联合优化源端与中继端波束成形及功率分配比例，最大化最坏情况保密速率（WCSR）。
• 通过利用全双工操作与多天线硬件资源，提升频谱效率与能量利用效率。
• 在保密性能方面，证明所提出的S-ER方案优于传统时隙切换中继（TSR）与单天线方案。

提出的方法

• 提出一种新型两阶段协议，全双工中继同时进行无线能量与信息传输，实现环回干扰（LI）能量的自能量回收（S-ER）。
• 引入联合优化框架，通过联合设计源端与中继端波束成形及能量采集与信息中继之间的功率分配比例，以最大化WCSR。
• 采用交替优化方法，将非凸优化问题转化为三个子问题，迭代求解鲁棒波束成形与最优功率分配。
• 在ECSI不完整条件下，推导出波束成形与功率分配比例的闭式解，确保收敛性与实际可实施性。
• 采用分段表达式表示最优功率分配比例，分别分析该比例小于1或等于1的情况。
• 利用SINR表达式与单调性分析，证明WCSR随有效信道增益 $ |oldsymbol{w}_r^rown oldsymbol{H}_r^rown oldsymbol{w}_s|^2 $ 的增大而增加，从而指导波束成形设计以最大化该参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在无线供电系统中利用全双工中继以提升保密速率，同时管理环回干扰？
• RQ2 在安全且能量受限的全双工中继系统中，回收环回干扰能量用于信息中继的最优方式是什么？
• RQ3 不完整的窃听信道状态信息（ECSI）如何影响最坏情况保密速率（WCSR）？鲁棒波束成形如何缓解其影响？
• RQ4 在部分ECSI条件下，所提出的S-ER方案相较于传统时隙切换中继（TSR）在WCSR方面的性能增益是多少？
• RQ5 与单天线方案相比，中继端采用多天线利用对保密速率性能有何影响？

主要发现

• 所提出的基于S-ER的安全传输方案相较于传统时隙切换中继（TSR）方案，实现了最高达80%的最坏情况保密速率（WCSR）增益。
• 当空闲天线被重新用于信息接收时，WCSR性能显著提升，优于仅使用一个接收天线的方案。
• 最坏情况保密速率（WCSR）是 $ |oldsymbol{w}_r^rown oldsymbol{H}_r^rown oldsymbol{w}_s|^2 $ 的单调递增函数，表明最大化该信道增益对性能优化至关重要。
• 所提出的迭代算法可收敛至鲁棒波束成形与最优功率分配比例的闭式解，确保在ECSI不完整条件下的实际可实施性。
• 通过采用鲁棒波束成形与S-ER，该方案在ECSI不完整条件下仍能保持高保密速率，展现出对信道不确定性的鲁棒性。
• 函数 $ f(x) $（表示WCSR关于功率分配的函数）在不同信道条件下为凹函数或单调递增函数，可通过分段分析实现高效优化。