In this paper, we investigate a two-hop full-duplex wireless-powered relaying system consists of a source, a relay, and a destination in the presence of a passive eavesdropper. The relay assists the transmission of confidential information from the source to the destination, while simultaneously harvesting the energy with time switching scheme by the radio-frequency (RF) signals. Our goal is to maximize the physical-layer security under harvested energy constraints by designing the full-duplex wireless-powered relay, whose two relaying strategies are considered, namely amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF). The relay beamforming vector design is proposed for AF protocol, and is jointly optimized with the time ratio parameter in the case of DF protocol to maximize the physical-layer security under harvested energy constraints. Moreover, for the simultaneous energy and secure message transfer at the relay, a two-phase method is provided, which enables the relay to avoid the self-interference caused by full-duplex operation, and also to harvest the energy from the self-interference. The proposed algorithmic solutions leverage the rank relaxation, Majorization-Minimization (MM) programming, and line search method. Numerical results show that the proposed full-duplex relaying system outperforms the half-duplex relaying system in energy harvesting. Moreover, the trade-off between AF and DF protocols according to the occurrence probability of non-zero secrecy rate can be observed in terms of physical-layer security.
에너지 하베스팅 기술은 전력 공급이 제한된 기기에 주위 환경에 존재하는 태양광, 진동, 바람, 전자기파와 같은 다양한 에너지원으로 부터 전력을 만드는 기술을 말한다. 에너지 하베스팅은 배터리를 바꿔주거나 추가적인 연결 없이 전력 공급이 어려운 환경에 지속적인 전력 공급을 위하여 사용될 수 있다. 특히 수천 개의 노드들이 존재하는 센서 네트워크 같은 무선 통신에서는 전자기파를 이용한 에너지 하베스팅이 주목 받고 있다. 또한 전자기파를 통하여 에너지 하베스팅을 하는 것뿐만 아니라 동시에 정보도 보내주는 SWIPT (simultaneous wireless information and power transfer) 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 SWIPT 시스템에서는 송신기가 수신기에서 요구하는 전력과 정보를 동시에 보내주어야 함으로 기존의 무선 통신 시스템에서의 송신기 보다 더 큰 송신 파워를 사용하게 됨으로 보안이 취약해지는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 이 연구는 SWIPT 시스템에서 발생하는 보안 문제를 해결하고자 송신기와 수신기 사이의 전이중방식 릴레이의 안테나를 빔포밍하여 송신기와 수신기 사이의 물리 계층 측면에서의 보안 강화를 통한 보안용량 (secrecy rate)을 증가시키는 방법에 관한 연구이다. 전이중방식 릴레이는 시간 스위칭 기법을 사용하며 수신기에게 송신기에서 받은 신호를 전달 할 뿐만 아니라 송신기에서 받은 신호와 자가간섭을 에너지 하베스팅하여 릴레이에서 필요로 하는 전력을 얻는다. 이 연구에서는 전이중방식 릴레이가 AF (amplify-and-forward) 방식과 DF (decode-and-forward) 방식으로 동작할 때를 각각 분석한다. 따라서 AF 방식에서는 송신기와 수신기 사이의 물리 계층 보안을 최대화 하면서 릴레이에서 필요한 전력을 만족시키는 릴레이 빔포밍 벡터를 구하고 DF 방식에서는 빔포밍 벡터와 phase 1 과 phase 2의 시간 할당 비율을 구한다. 이 최적화 문제는 non-convex 형태로 이를 해결하기 위하여 MM (minorization-maximization) 알고리즘과 rank-relaxation, line search 기법을 사용하였고 이에 대한 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘을 통하여 송신기의 파워를 세게 하여도 보안용량이 증가하는 것을 보았고 또한 자가간섭을 에너지 하베스팅함으로써 반이중통신보다 더 좋은 성능을 얻을 수 있는 것을 보였다.
