[論文レビュー] UAV-Enabled Cooperative Jamming for Improving Secrecy of Ground Wiretap Channel

An Li, Qingqing Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、UAVのトラジェクトリとジャミングパワーを共同最適化することで、地上の盗聴チャネルにおける秘密性レートを向上させるUAV駆動型モバイルジャミング方式を提案する。ブロック座標降下法と逐次凸最適化を用いることで、UAVの移動性とLoSチャネルの利点を活用し、効果的で適応的なジャミングを実現し、ベンチマークと比較して顕著な秘密性レートの向上を達成する。

ABSTRACT

This letter proposes a novel UAV-enabled mobile jamming scheme to improve the secrecy rate of ground wiretap channel. Specifically, a UAV is employed to transmit jamming signals to combat against eavesdropping. Such a mobile jamming scheme is particularly appealing since the UAV-enabled jammer can fly close to the eavesdropper and opportunistically jam it by leveraging the UAV's mobility. We aim to maximize the average secrecy rate by jointly optimizing the UAV's trajectory and jamming power over a given flight period. To make the problem more tractable, we drive a closed-form lower bound for the achievable secrecy rate, based on which the UAV's trajectory and transmit power are optimized alternately by an efficient iterative algorithm applying the block coordinate descent and successive convex optimization techniques. Simulation results demonstrate that the proposed joint design can significantly enhance the secrecy rate of the considered wiretap system as compared to benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 固定ジャミングが盗聴者から離れている場合や、CSIが完全でない場合に効果を発揮しないという、地上盗聴システムにおける静的協働ジャミングの限界を是正すること。
• UAVの移動性とLoSの空中から地上へのチャネルを活用し、盗聴を劣化させる機会的ジャミングを可能にするとともに、正当な受信者へのインターフェアレンスを最小限に抑えること。
• 移動制約、平均およびピークパワー制限を含む実用的制約下で、平均秘密性レートを最大化するためにUAVのトラジェクトリとジャミングパワーを共同最適化すること。
• 不完全なCSIと fading を考慮するための実用的な最適化フレームワークを構築し、秘密性レートの閉形式下限を用いること。

提案手法

• 有限飛行期間における達成可能な秘密性レートの閉形式下限を最大化するための、トラジェクトリとパワー制御の共同最適化問題を定式化する。
• ブロック座標降下法を適用し、UAVのトラジェクトリとジャミングパワーを交互に最適化することで、非凸問題を扱いやすい部分問題に分解する。
• 逐次凸最適化を用いて、非凸部分問題を繰り返し近似・解法し、収束性を保証する高品質な解を得る。
• 実用的制約を課す：UAVの移動性（速度および距離制限）、送信元およびUAVの平均およびピークパワー制限。
• 飛行期間をN個の時間スロットに離散化し、UAVの3次元トラジェクトリを一定高度Hにおける水平位置の系列としてモデル化する。
• LoSのUAVから盗聴者へのリンクに距離に基づくパスロスモデルを採用し、正確でCSIを要しないジャミングパワー推定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVの移動性を活用することで、動的で距離依存のジャミングが可能となり、地上盗聴チャネルにおける秘密性レートの向上が図れるか？
• RQ2 UAVのトラジェクトリとジャミングパワーを共同最適化することで、個別最適化や固定設計と比較して、秘密性性能がどのように向上するか？
• RQ3 UAVの移動制約およびパワー制限が、実用的なモバイルジャミング環境における達成可能な秘密性レートに与える影響は何か？
• RQ4 本手法は、パワー制御なしまたは部分最適なトラジェクトリを用いたベンチマークと比較して、どのように性能を発揮するか？
• RQ5 不完全なCSI下でも効率的な最適化を可能にするために、秘密性レートの閉形式下限を導出できるか？

主な発見

• 提案された共同トラジェクトリとパワー制御（J-T&P）方式は、全テスト飛行時間において最高の秘密性レートを達成し、両ベンチマークおよびジャミングなしのケースを著しく上回る。
• パワー制御なしのベンチマーク方式（T/NP）は、ジャミングなしのケース（NJ）よりも低い秘密性レートを達成しており、最適化されていないジャミングが性能を劣化させることを示している。
• 飛行時間Tが延びるに従い、J-T&PにおけるUAVのトラジェクトリはより適応的になり、直線パスから逸脱して最適ジャミング位置に滞在するようになる。これにより、受信者へのインターフェアレンスが低減される。
• T = 200 s（最大速度で出発点から到着点を移動する最小時間）では、すべての方式が同一のトラジェクトリを示すが、Tが増加するにつれて差が顕著になり、最適化の利点が明確に現れる。
• 線分トラジェクトリ（LT/P）は最短移動時間を達成するが、適応的パワー制御が欠如しているため性能が著しく劣る。これにより、共同設計の必要性が強調される。
• 数値結果により、UAVのトラジェクトリと送信パワーの共同最適化が、秘密性レートを最大化するために不可欠であることが確認され、飛行時間が長くなるほど位置決めの精度が向上し、その恩恵も増大することが示された。