[論文レビュー] Optimal Transmit Power and Flying Location for UAV Covert Wireless Communications

Shihao Yan, Stephen V. Hanly+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 31被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、監視領域内の監視者（ウィリー）による検出を回避しつつ、正当な地上受信者への通信品質を最大化するため、UAVの送信電力と飛行位置を共同最適化する手法を提案する。1つの主要な制約条件の組み合わせについて明示的な解を導出し、最適な2次元位置はしばしば1次元探索で得られることを示しており、特定のシナリオではヒューリスティック手法を著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

This paper jointly optimizes the flying location and wireless communication transmit power for an unmanned aerial vehicle (UAV) conducting covert operations. This is motivated by application scenarios such as military ground surveillance from airborne platforms, where it is vital for a UAV's signal transmission to be undetectable by those within the surveillance region. Specifically, we maximize the communication quality to a legitimate ground receiver outside the surveillance region, subject to: a covertness constraint, a maximum transmit power constraint, and a physical location constraint determined by the required surveillance quality. We provide an explicit solution to the optimization problem for one of the most practical constraint combinations. For other constraint combinations, we determine feasible regions for flight, that can then be searched to establish the UAV's optimal location. In many cases, the 2-dimensional optimal location is achieved by a 1-dimensional search. We discuss two heuristic approaches to UAV placement, and show that in some cases they are able to achieve close to optimal, but that in other cases significant gains can be achieved by employing our developed solutions.

研究の動機と目的

• UAVの遮蔽無線通信における正当な地上受信者への通信品質を最大化すること。
• UAVの送信が監視領域内の監視者（ウィリー）に検出されないことを保証すること。
• 実用的制約を満たすこと：最大送信電力、ウィリーまでの最小距離、監視品質のための最小角度。
• これらの制約下で、UAVの飛行位置（距離および角度）と送信電力を共同で最適化すること。
• さまざまな制約条件の組み合わせにおける最適なUAV配置の明示的解と探索可能な領域を提供すること。

提案手法

• 正当な受信者（ボブ）における信号対インターフェランス加算ノイズ比（SINR）を最大化する制約付き最適化問題を定式化し、遮蔽性、電力、幾何的制約を満たす。
• ウィリーの検出誤差率の解析的表現を用いて、1つの主要な制約条件の組み合わせにおける最適送信電力および位置の閉形式解を導出する。
• 最適な角度 $ \theta_w $ を特定するための関数 $ \bar{g}(\theta_w) $ を導入し、$ \partial f / \partial \theta_w = 0 $ を解くことで、ウィリーの検出性能と関連付ける。
• 最適な角度が $ [0, \arccos(d_w/L)] $ の範囲に存在することを確立し、主要関数の単調性解析により解の一意性を証明する。
• 他の制約条件の組み合わせについては、UAV位置の探索が効率的に行える2次元の実行可能領域を定義し、多くの場合、問題を1次元探索に簡略化する。
• 提案手法を2つのヒューリスティックなUAV配置戦略と比較し、数値評価を通じて性能向上を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正当な地上受信者への通信品質を最大化しつつ、監視者に検出されないようなUAV送信電力と飛行位置の最適な組み合わせは何か？
• RQ2 UAVの位置と電力の共同最適化は、ヒューリスティックな配置戦略と比較して、遮蔽通信性能をどのように向上させるか？
• RQ3 どのような制約条件の組み合わせにおいて、最適な2次元UAV位置を1次元探索で得られるか？また、何時刻に完全な2次元探索が必要となるか？
• RQ4 遮蔽性制約の解析的構造は何か？また、それがUAV展開の実行可能領域にどのように影響を与えるか？
• RQ5 UAVが監視者に対して示す距離および角度は、通信品質と遮蔽性のトレードオフにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 1つの主要な制約条件の組み合わせについて、最適送信電力およびUAV位置の明示的閉形式解が導出され、直接計算が可能となる。
• 最適な角度 $ \theta_w $ は $ [0, \arccos(d_w/L)] $ の範囲に存在し、主関数 $ \bar{g}(\theta_w) $ の単調性により解の一意性が保証される。
• 多くの実用的状況において、最適な2次元UAV位置は角度 $ \theta_w $ における1次元探索により得られ、計算複雑度が著しく低減される。
• ヒューリスティックなUAV配置戦略は一部のシナリオでは近似的に最適性能を達成するが、他のシナリオでは顕著な性能損失を被るため、本手法の解析的解の価値が顕著に示される。
• 提案手法は、ボブにおけるSINRを最大化するとともに、ウィリーによる検出を回避し、すべての物理的および運用的制約を満たすことを保証する。
• 解析により、監視品質と遮蔽性の両立を図るため、UAVはウィリーまでの最小距離および最小角度を維持する必要があることが確認され、最適点は実行可能領域の境界上に位置することが分かった。