[論文レビュー] Energy-Efficient Resource Allocation for Secure UAV Communication Systems

Yuanxin Cai, Zhiqiang Wei+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、不確実な盗聴者位置とセキュリティ制約のもとで、非凸問題を反復アルゴリズムで解くことにより、エネルギー効率的で安全なUAV-OFDMAシステムの送信電力、ユーザースケジューリング、トラジェクトリ、速度の共同最適化を提案する。盗聴者位置の不確実性と高いピーク電力条件下でも、基準となる直線飛行スキームに比べて顕著に高いエネルギー効率を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we study the resource allocation and trajectory design for energy-efficient secure unmanned aerial vehicle (UAV) communication systems where a UAV base station serves multiple legitimate ground users in the existence of a potential eavesdropper. We aim to maximize the energy efficiency of the UAV by jointly optimizing its transmit power, user scheduling, trajectory, and velocity. The design is formulated as a non-convex optimization problem taking into account the maximum tolerable signal-to-noise ratio (SNR) leakage, the minimum data rate requirement of each user, and the location uncertainty of the eavesdropper. An iterative algorithm is proposed to obtain an efficient suboptimal solution. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm can achieve a significant improvement of the system energy efficiency while satisfying communication security constraint, compared to some simple scheme adopting straight flight trajectory with a constant speed.

研究の動機と目的

• 不確実な盗聴者位置を有するマルチユーザUAV-OFDMAシステムにおける、エネルギー効率とセキュリティの共同最適化の不足に対処すること。
• 機密スルーレートとデータレート制約のもとで、システムのエネルギー効率を最大化する非凸最適化問題を定式化すること。
• UAVの軌道、速度、送信電力、ユーザースケジューリングを共同で最適化する、部分最適な反復アルゴリズムを設計すること。
• 潜在的な盗聴者に対する信号漏れを不確実領域内に制限することで、安全な通信を確保すること。
• 一定速度・直線飛行のUAV飛行軌道を有する基準スキームを上回るシステム性能を、電力、スケジューリング、軌道、速度の共同最適化により向上させること。

提案手法

• UAVは一定高度、複数の地上ユーザ、不確実領域内に位置する潜在的盗聴者を有するUAV-OFDMAシステムをモデル化する。
• 最小ユーザデータレート、最大盗聴者SNR漏れ、UAV移動性を制約とする非凸最適化問題として、エネルギー効率最大化問題を定式化する。
• 逐次凸近似（SCA）に基づく反復アルゴリズムを用いて、非凸問題を部分的に分解・解く。
• 正当なユーザの高いデータレートを維持しつつ、高い盗聴リスク領域を回避するように、UAVの軌道と速度を適応的に最適化する。
• エネルギー効率とセキュリティのバランスを取るために、電力割り当てとユーザースケジューリングを最適化に統合する。
• 非凸な機密スルーレート制約を処理するためのペナルティ法を適用し、収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の正当ユーザと1名の盗聴者を有する安全なUAV-OFDMAシステムにおいて、エネルギー効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 盗聴者位置の不確実性は、システム設計および性能にどのような影響を及えるか？
• RQ3 一定速度・直線飛行と比較して、適応的UAV速度および軌道設計はエネルギー効率をどのように向上させるか？
• RQ4 ピーク送信電力と盗聴者不確実性が変化する条件下で、エネルギー効率、データレート、セキュリティの間にはどのようなトレードオフが存在するか？
• RQ5 電力、スケジューリング、軌道、速度の共同最適化は、固定飛行プロファイルを有する基準スキームを上回る性能を発揮できるか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、一定速度で直線飛行を行う基準スキームに比べ、顕著に高いシステムエネルギー効率を達成する。
• ピーク送信電力が高くなるほどエネルギー効率が向上し、特に盗聴者不確実領域が広い場合に顕著である。
• 盗聴者不確実領域が小さい場合（例：100 m半径）、ピーク電力が低い（0.01 W）と、システムエネルギー効率は一定に保たれ、性能は電力制約によって制限されていることが示された。
• 盗聴者不確実領域が広い場合（例：400 m半径）、UAVは信号漏れを低減するため、低電力で領域内を迅速に通過するよう優先する。
• UAVは速度を適応的に変更する：ユーザから遠く離れているときは速く飛行し、近づくと遅くして、データレートとエネルギー効率を最大化する。
• アルゴリズムは迅速に収束するため、安全なUAV通信システムにおけるリアルタイム導入の実用的妥当性を示している。