[論文レビュー] Securing Mobile Multiuser Transmissions with UAVs in the Presence of Multiple Eavesdroppers

Aly Sabri Abdalla, Vuk Marojevic|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Wireless Communication Security Techniques参考文献 16被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、複数の移動ユーザーに対するセキュリティエネルギー効率（SEE）を最大化するため、無人航空機（UAV）リレーポジショニングと上行リンク送信電力を共同最適化する手法を提案する。非凸緩和と逐次凸近似を用いてUAV軌道とユーザー電力割り当てを反復的に最適化することで、ベースライン手法に比べ最大50％高いSEEを達成し、分散型盗聴者に対するモバイルマルチユーザー通信のセキュリティ性とスケーラビリティを実証した。

ABSTRACT

This paper discusses the problem of securing the transmissions of multiple ground users against eavesdropping attacks. We propose and optimize the deployment of a single unmanned aerial vehicle (UAV), which serves as an aerial relay between the user cluster and the base station. The focus is on maximizing the secrecy energy efficiency by jointly optimizing the uplink transmission powers of the ground users and the position of the UAV. The joint optimization problem is nonconvex; therefore we split it into two subproblems and solve them using an iterative algorithm.

研究の動機と目的

• 複数の盗聴者に対する複数の移動ユーザーを保護するためのUAVを空中リレーユニット（AR）として使用する際のスケーラビリティのギャップを解消すること。
• 移動ユーザーのクラスタから基地局への上行リンク伝送におけるセキュリティエネルギー効率（SEE）を最大化すること。
• 実用的な電力および移動制約下で、UAV軌道とユーザー上行リンク送信電力を共同最適化すること。
• 非凸共同最適化問題の近似最適解に収束する反復的アルゴリズムを開発すること。
• 提案手法のスケーラビリティおよび性能向上を、ユーザー数および盗聴者数の変動にわたって検証すること。

提案手法

• 時間スロットフレームを用いて、移動地面ユーザー、UAVリレーユニット、複数の地面盗聴者を含む3次元シナリオをモデル化する。
• ユーザー-UAVリンクにはパスロス指数2の視線（LoS）空中から地上（A2G）チャネルモデルを、地面から地面（G2G）盗聴者リンクには指数4を用いる。
• 機密容量を、正当なユーザーのチャネル容量と、すべての盗聴者における最大盗聴チャネル容量の差として定義する。
• スラック変数と逐次凸近似（SCA）技術を用いて、非凸なSEE最大化問題を扱いやすい形に再定式化する。
• UAV軌道更新と電力制御最適化を交互に繰り返す反復的アルゴリズムを適用し、局所最適解に収束する。
• UAVの移動性（クラスタ半径内）、平均電力、ピーク電力に制約を課し、実用的妥当性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのUAVリレーユニットは、複数の盗聴者による脅威下でも、複数の移動ユーザーのセキュリティエネルギー効率（SEE）を効果的に向上させることができるか？
• RQ2 固定またはヒューリスティックなUAV位置決めと比較して、UAV位置とユーザー上行リンク電力の共同最適化はSEEをどのように向上させるか？
• RQ3 1人、2人、4人の移動ユーザーのクラスタを複数の盗聴者から保護する文脈で、1つのUAVリレーユニットのスケーラビリティはどの程度か？
• RQ4 実用的展開環境下で、最大送信電力とUAV高度がSEEにどのように影響するか？
• RQ5 固定またはリード/ラグUAV位置決め戦略に比べ、軌道最適化は盗聴をどれほど効果的に低減できるか？

主な発見

• 提案手法によるUAV軌道とユーザー電力制御の共同最適化は、UAVリレーリングなしのベースライン手法に比べ、高攻撃ゾーンでSEEをほぼ50％向上させる。
• 1人、2人、4人の移動ユーザー間でSEE性能にほとんど差がなく、UAVリレーユニットのスケーラビリティが強く裏付けられた。
• 反復的アルゴリズムは130イテレーション以内に収束し、UAV高度80 mでは4ユーザーで10 bps/Hz/W、160 mでは8 bps/Hz/WのSEEを達成した。
• 最大送信電力が上昇するに従いSEEは急激に増加し、約400 mWで安定化するため、中程度の電力レベルで高いエネルギー効率が達成可能であることが示された。
• 固定リード/ラグUAV位置決めおよび可変リード/ラグ戦略に比べ、提案手法は優れた性能を示し、動的軌道最適化の価値を確認した。
• 異なるUAV高度（80 m、120 m、160 m）においても性能向上が一貫しており、高度変動に対して頑健であることが示された。