[論文レビュー] Active Intelligent Reflecting Surface Assisted Secure Air-to-Ground Communication with UAV Jittering

Yimeng Ge, Jiancun Fan|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、無人航空機（UAV）のジャイティングに起因する性能劣化を軽減するため、アクティブな知能反射表面（IRS）を用いた耐障害性の高い安全な伝送方式を提案する。UAVのビームフォーミングとIRSの位相シフトおよび増幅利得を、最悪ケースの機密性レート制約のもとで共同最適化することで、伝送電力を顕著に低減するとともに物理層セキュリティを向上させる。数値結果により、チャネル不確実性下でも電力効率が向上することが実証された。

ABSTRACT

Unmanned Aerial Vehicles (UAV)-enabled communication is a promising solution for secure air-to-ground (A2G) networks due to the additional secure degrees of freedom afforded by mobility. However, the jittering characteristics caused by the random airflow and the body vibration of the UAV itself have a non-negligible impact on the performance of UAV communication. Considering the impact of UAV jittering, this paper propose a robust and secure transmission design assisted by an novel active intelligent reflecting surface (IRS),where the reflecting elements in IRS not only adjust the phase shift but also amplify the amplitude of signals. Specifically, under the worst-case secrecy rate constraints, we aim to minimize the transmission power by the robust joint design of active IRS's reflecting coefficient and beamforming at the UAV-borne base station (UBS). However,it is challenging to solve the joint optimization problem due to its non-convexity. To tackle this problem, the non-convex problem is reformulated with linear approximation for the channel variations and linear matrix inequality transformed by S-procedure and Schur's complement. Then, we decouple this problem into two sub-problems, namely, passive beamforming and active IRS's reflecting coefficient optimization, and solve them through alternate optimization (AO). Finally, the numerical results demonstrate the potential of active IRS on power saving under secure transmission constraints and the impact of UAV jittering.

研究の動機と目的

• ランダムな気流や機械的振動によるUAVのジャイティングに起因する、UAVを用いた空中から地上への（A2G）通信における性能劣化を是正すること。
• アクティブIRSが提供する位相シフトおよび信号増幅機能を活用することで、物理層セキュリティを強化すること。
• UAVジャイティングに起因するチャネル不確実性を考慮した最悪ケースの機密性レート制約のもとで、UAV搭載基地局（UBS）の伝送電力を最小化すること。
• UAVジャイティングに起因する最悪ケースのチャネル不確実性を考慮した、ビームフォーミングとアクティブIRSの反射係数の耐障害的共同最適化フレームワークを構築すること。

提案手法

• 最悪ケースの機密性レート制約のもとで、UAVビームフォーミングとアクティブIRSの反射係数の共同設計を目的とした非凸最適化問題を定式化する。
• UAVジャイティングに起因するチャネル変動を扱うために線形近似を適用し、問題を扱いやすい形に変換する。
• S手続きおよびシュールの補題を用いて、非凸制約を線形行列不等式（LMI）に変換する。
• 共同問題を2つの部分問題に分解する：受動的ビームフォーミングとアクティブIRS係数最適化。これらは交互最適化（AO）により解く。
• チャネル不確実性下での機密性レート下限を凸化するために、1次テイラー近似を用いる。
• ビームフォーミングとIRS反射係数を繰り返し最適化することで、最悪ケースのチャネルモデル下でも収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVジャイティングは、A2G通信システムにおける機密性レートと電力効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 位相シフトと増幅機能を併せ持つアクティブIRSは、UAVジャイティングの影響下でも機密性レートを向上させるとともに伝送電力を低減できるか？
• RQ3 UAVの運動に起因する最悪ケースのチャネル不確実性下で、最適な耐障害的ビームフォーミングとIRS反射係数設計は何か？
• RQ4 本手法は、従来の受動的IRSまたは直接伝送と比較して、電力効率およびセキュリティ面でどのように優れているか？

主な発見

• 提案された耐障害的ビームフォーミングとアクティブIRS最適化手法は、同等の機密性レート制約下で従来手法と比較して顕著な電力削減を達成した。
• 数値結果により、アクティブIRSがUAVジャイティングによる機密性性能への悪影響を効果的に軽減し、所望の信号を強化するとともに盗聴を抑制することが確認された。
• すべてのチャネル不確実性の実現下でも最悪ケースの機密性レートが維持され、本手法の耐障害性が裏付けられた。
• 交互最適化（AO）アルゴリズムは信頼性高く収束し、リアルタイム実装の実用的妥当性を示した。
• アクティブIRSの統合により、セキュアな自由度が増加し、受動的IRSや直接リンクに比べて優れた機密性レート性能が達成された。