[論文レビュー] Reflections in the Sky: Joint Trajectory and Passive Beamforming Design for Secure UAV Networks with Reconfigurable Intelligent Surface

Hui Long, Ming Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 80

ひとこと要約

この研究は RIS を用いた UAV 対応通信の安全性とエネルギー効率を同時に最適化し、UAV の軌道、RIS 位相シフト、ユーザーアソシエーション、送信電力を交互に、SCA ベースのアルゴリズムで最適化する。従来の AF リレーと比較して顕著な利得を報告する。

ABSTRACT

This paper investigates the problem of secure energy efficiency maximization for a reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted uplink wireless communication system, where an unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with an RIS works as a mobile relay between the base station (BS) and a group of users. We focus on maximizing the secure energy efficiency of the system via jointly optimizing the UAV's trajectory, the RIS's phase shift, users' association and transmit power. To tackle this problem, we divide the original problem into three sub-problems, and propose an efficient iterative algorithm. In particular, the successive convex approximation method (SCA) is applied to solve the nonconvex UAV trajectory, the RIS's phase shift, and transmit power optimization sub-problems. We further provide two schemes to simplify the solution of phase and trajectory sub-problem. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm converges fast, and the proposed design can enhance the secure energy efficiency by up to 38\% gains, as compared to the traditional schemes without any RIS.

研究の動機と目的

• 障害物と盗聴を克服するために RIS を用いた UAV 支援ネットワークで安全な通信を動機づける。
• エネルギー効率を最適化しつつ、公正性の観点から最小秘密度通信速度を最大化する。
• エネルギー効率を最適化しつつ、公正性の観点から最小秘密度通信速度を最大化する。
• UAV の軌道、RIS の位相シフト、ユーザーアソシエーション、送信電力を共同で最適化する効率的なアルゴリズムを開発する。
• 従来のリレーと比較した場合、UAV 対応のセキュアネットワークにおける RIS の利点について洞察を提供する。

提案手法

• ユーザーと基地局の間でリレーとして機能する UAV 装備 RIS を用いたアップリンク系をモデル化する。
• 非凸な max-min secrecy-energy-efficiency 問題を定式化し、アソシエーション、電力、位相/軌道の3つのサブ問題に分解する。
• 非凸サブ問題に対して逐次凸近似を適用し、交互最適化フレームワークを用いる。
• 受信エネルギーを最大化するための RIS 要素の閉形式位相整合を導出し、2つの軌道-位相最適化スキームを提案する。
• 収束保証を伴う反復アルゴリズム2を提供し、計算複雑性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 秘密性エネルギー効率を最大化するために、UAV 軌道、RIS 位相シフト、ユーザーアソシエーション、送信電力をどのように共同最適化できるか？
• RQ2 RIS を導入した UAV 対応セキュアネットワークは従来の AF リレーと比べてどのような利点をもたらすか？
• RQ3 UAV の速さやエネルギー消費といった実用的制約の下で、軌道と位相の最適化はどのように相互作用するか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは RIS を用いない schemes と比較して secrecy energy efficiency を最大で 38% 向上させることができる。
• RIS 対応の UAV は従来の AF リレーよりも secrecy energy efficiency で優れており、RIS 要素数が増えるほど改善が大きくなる。
• 最適な UAV 軌道は、秘密を維持するために eavesdropper 近接を避けつつユーザーを回る閉ループを形成する。
• RIS は様々な高さと経路損失条件で顕著なエネルギー効率の利得を提供し、RIS 要素数が多いほど利益が大きい。
• Scheme I（位相と軌道の共同最適化）は Scheme II（代替の簡略化）よりも性能が良い。
• 数値結果は収束が速く、遮られた屋外環境における RIS の明らかな利点を示す。