Joint precoding and user association for multiuser hybrid RF/VLC systems under secrecy constraints.

Abstract

In this work, a joint strategy of precoding and user association for the direct link of hybrid radio-frequency (RF) / visible light communication (VLC) networks is investigated. Assuming a multiple-input single-output (MISO) system with VLC and RF access points (APs), and multiple users, where each user can connect only to the VLC or RF AP, we aim to maximize the sum secrecy rate of the network. First, an optimization problem to design a precoder that maximizes the sum secrecy rate of each AP is formulated. The precoding design is a non-convex fractional programming problem, which is extremely challenging to solve. For this purpose, the original problem is reformulated using the constrained convex-concave procedure (CCCP). The reformulated problem shows to be low-complex and can efficiently converge to an optimal solution. In addition, a user association algorithm based on the coalitional game theory is also proposed, to guarantee the maximum sum secrecy rate of the network. Numerical results emphasize the efficiency of the proposed joint precoding and user association (JPUA) method and its gain in terms of the network sum secrecy rate in comparison to different baseline schemes. Moreover, the number of iterations of the user association algorithm, and the effect of various system parameters, such as the transmit power and the total number of users connected to the network are also evaluated, highlighting the advantage of combining RF and VLC technologies.

Neste trabalho, uma estratégia conjunta de pré-codificação e associação de usuários para o enlace direto de redes híbridas de comunicação por radiofrequência (RF) e luz visível (VLC, visible light communications) é investigada. Assumindo um sistema de múltiplas entradas e única saída (MISO, multiple-input single-output) com um ponto de acesso VLC, um ponto de acesso RF e múltiplos usuários, em que cada usuário pode se conectar apenas ao ponto de acesso de VLC ou RF, pretende-se maximizar a taxa de sigilo agregada na rede. Primeiramente, formula-se um problema de otimização com objetivo de projetar os precodificadores que maximizam a taxa de sigilo agregada para cada ponto de acesso. Este problema de otimização é não-convexo e apresenta difícil resolução. Por este motivo, o problema é reformulado utilizando o procedimento convexo-côncavo com restrições (CCCP, constrained convex-concave procedure). Esta reformulação apresenta baixa complexidade e é capaz de convergir à uma solução ótima de forma eficiente. Ademais, para garantir a máxima taxa agregada de sigilo para a rede, propõe-se também um algoritmo de associação de usuários baseado em teoria de jogos. Dos resultados numéricos, observa-se que a estratégia conjunta de pré-codificação e associação de usuários proposta é eficiente e permite obter ganhos de desempenho em termos da taxa agregada de sigilo comparada a outros esquemas tomados como referência. Além disso, o número de iterações necessárias para convergência do algoritmo de associação de usuários e o efeito de diferentes parâmetros do sistema, como a potência de transmissão e o número total de usuários conectados a rede, também foram avaliados, evidenciando os benefícios de combinar as tecnologias de RF e VLC.