[論文レビュー] Terahertz-supported Untrusted UAV-Relaying: Secrecy Energy Efficiency Maximization via Trajectory and Communication Co-design.

Milad Tatar Mamaghani, Yi Hong|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、無線制御のない中継局を有する太赫茲帯域における安全なUAV中継システムを提案し、2段階伝送と協調ジャミングを用いて、秘匿エネルギー効率（SEE）を最大化する。UAVの電力制約下で、高度な最適化技術を用いて軌道、速度、電力割り当て、スケジューリングを共同最適化することで、ベンチマークと比較して顕著なSEE向上を達成する。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) and Terahertz (THz) technology are envisioned to play paramount roles in next-generation wireless communications. Hence, this paper presents a novel secure UAV-assisted mobile relaying system operating at THz bands for data acquisition from multiple ground user equipments towards a destination. We assume that the UAV-mounted relay may act, besides providing relaying services, as a potential adversary called the untrusted UAV relay. To safeguard end-to-end communications, we present a secure two-phase transmission strategy with cooperative jamming. Then, we formulate an optimization problem in terms of a new measure $-$ secrecy energy efficiency (SEE), defined as the ratio of achievable average secrecy rate to average system power consumption, which enables us to obtain the best possible security level while taking UAV's inherent flight power limitation into account. This optimization problem leads to a joint design of key system parameters, including UAV's trajectory and velocity, communication scheduling, and power allocations. Since the formulated problem is a mixed-integer nonconvex optimization and computationally intractable, we propose alternative algorithms to solve it efficiently via greedy/sequential block coordinated descent, successive convex approximation, and non-linear fractional programming techniques. Numerical results demonstrate significant SEE performance improvement of our designs when compared to other known benchmarks.

研究の動機と目的

• UAV中継システムにおけるセキュリティ脆弱性に対処する。特に、UAV中継局が信頼できない敵対的行動を取る可能性があること。
• 信頼できないUAV中継局による盗聴を防ぐために、協調ジャミングを用いた2段階伝送プロトコルを設計する。
• システムの電力消費量に対する平均秘匿レートの比として定義される秘匿エネルギー効率（SEE）を、UAV飛行の電力制約が厳しい条件下でも最大化する。
• セキュリティとエネルギー効率の両方を向上させるために、UAVの軌道、速度、通信スケジューリング、電力割り当てを共同最適化する。
• 計算的に扱いにくい混合整数非凸最適化問題を解くための効率的なアルゴリズムを開発する。

提案手法

• 2段階伝送戦略を提案：第1段階では、送信局がUAV中継局に信号を送信する。第2段階では、UAVがデータを受信者に中継すると同時に、潜在的な盗聴者を混乱させる人工ノイズを送信する。
• 送信局と受信局からの協調ジャミングを導入し、盗聴チャネル容量を低下させることで、秘匿性を強化する。
• UAV移動性と電力制約を組み込んだ、混合整数非凸最適化としての秘匿エネルギー効率（SEE）最大化問題を定式化する。
• 非凸性に対処するために逐次凸近似（SCA）を適用し、分数型のSEE目的関数を扱いやすい形に変換するための非線形分数プログラミングを用いる。
• グリーディ/逐次ブロック協調勾配降下法を用い、軌道、速度、電力割り当て、スケジューリング変数を反復的に最適化する。
• UAV移動制約（最大速度、加速度制限など）と電力消費モデルを最適化フレームワークに統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼できないUAV中継局が通信を盗聴する可能性がある太赫茲帯UAV中継システムにおいて、どのようにして秘匿性を確保できるか？
• RQ2 実用的なUAV電力制約下で、UAVの軌道、速度、電力割り当て、通信スケジューリングを最適に統合設計することで、秘匿エネルギー効率（SEE）を最大にするにはどうすればよいか？
• RQ3 提案された2段階伝送と協調ジャミングは、ジャミングなしの従来の中継方式と比較して、どのように秘匿性能を向上させるか？
• RQ4 この安全なUAV中継構成で生じる混合整数非凸SEE最大化問題を解くために、どのような最適化技術が有効か？
• RQ5 既存のベンチマーク方式と比較して、提案された共同設計フレームワークにより、SEEでどの程度の性能向上が達成可能か？

主な発見

• 提案されたSEE最大化フレームワークは、ベンチマーク方式と比較して顕著な性能向上を達成し、軌道、電力、スケジューリングの共同最適化の有効性を示している。
• 協調ジャミングの活用により、特に高い路損と指向性伝送が特徴の太赫茲帯域において、盗聴チャネルの性能が著しく低下し、秘匿レートが向上する。
• 逐次凸近似と非線形分数プログラミングの手法は、非凸性と分数型目的関数を効果的に処理でき、高品質な解への収束を可能にした。
• グリーディ/逐次ブロック協調勾配降下法により、密接に結合された軌道、速度、電力割り当て変数の最適化が計算複雑性と性能のバランスを保ちながら効率的に行えるようになった。
• 数値結果により、提案手法が特に厳しいUAV電力制限下でも、従来方式よりもSEEにおいて優れた性能を発揮することが確認された。
• システムは、単位電力消費量あたりの平均秘匿レートを高めることができ、エネルギー制限のあるUAVネットワークにおけるSEEの指標としての有効性が裏付けられた。