[論文レビュー] UAV-Enabled Covert Wireless Data Collection

Xiaobo Zhou, Shihao Yan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 33被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、全二重モードのUAVが、スケジュールされたユーザーからのデータ収集を実行する一方で、未スケジュールユーザーによる検出を防ぐために人工雑音を送信する、UAVを活用した隠密な無線データ収集システムを提案する。罰則逐次凸近似（P-SCA）手法を用いて、UAVの軌道、最大人工雑音パワー、およびユーザーのスケジューリングを共同最適化することで、特に厳しい隠密性制約下でも、ベンチマーク手法に比べて顕著に高い最小平均伝送レート（ATR）を達成する。

ABSTRACT

This work considers unmanned aerial vehicle (UAV) networks for collecting data covertly from ground users. The full-duplex UAV intends to gather critical information from a scheduled user (SU) through wireless communication and generate artificial noise (AN) with random transmit power in order to ensure a negligible probability of the SU's transmission being detected by the unscheduled users (USUs). To enhance the system performance, we jointly design the UAV's trajectory and its maximum AN transmit power together with the user scheduling strategy subject to practical constraints, e.g., a covertness constraint, which is explicitly determined by analyzing each USU's detection performance, and a binary constraint induced by user scheduling. The formulated design problem is a mixed-integer non-convex optimization problem, which is challenging to solve directly, but tackled by our developed penalty successive convex approximation (P-SCA) scheme. An efficient UAV trajectory initialization is also presented based on the Successive Hover-and-Fly (SHAF) trajectory, which also serves as a benchmark scheme. Our examination shows the developed P-SCA scheme significantly outperforms the benchmark scheme in terms of achieving a higher max-min average transmission rate from all the SUs to the UAV.

研究の動機と目的

• 未スケジュールユーザーによる検出を避けて、地上ユーザーからUAVを介してデータを隠密に収集する課題に対処すること。
• 各未スケジュールユーザーにおける検出誤り率解析に基づいた、明示的な隠密性制約をモデル化・適用すること。
• 実用的な移動制約とシステム制約の下で、UAVの軌道、人工雑音パワー、およびユーザースケジューリングを共同最適化すること。
• すべてのスケジュール済みユーザー間の最小平均伝送レート（ATR）を最大化すると同時に、隠密性を確保すること。

提案手法

• 隠密性および移動制約の下で、UAVの軌道、人工雑音パワー、およびユーザースケジューリングを統合した混合整数非凸最適化問題を定式化する。
• 二値ユーザースケジューリング制約を近似することで、非凸問題を反復的に解くための新しい罰則逐次凸近似（P-SCA）手法を開発する。
• UAV経路設計のための初期化およびベンチマークとして、一次的ホーバー・アンド・フライ（SHAF）軌道を採用する。
• 対数関数の一次近似を用いて非凸なレート式を凸化し、効率的な反復最適化を可能にする。
• 各未スケジュールユーザーにおける検出性能を導出し、最小検出誤り率に基づいて隠密性制約を明示的に定義する。
• 二値ユーザースケジューリング制約を処理するための罰則項を導入し、妥当な解への収束を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線ネットワーク内において、未スケジュールユーザーによる検出を避けて、UAVがスケジュール済みユーザーからどのように隠密にデータを収集できるか。
• RQ2 隠密性制約下で、UAVの軌道、人工雑音パワー、およびユーザースケジューリングを最適に統合設計する方法は何か。
• RQ3 UAVの飛行時間Tが、隠密データ収集システムにおける達成可能な最小平均伝送レートに与える影響は何か。
• RQ4 隠密性レベル（εで制御）が、UAVの軌道および人工雑音パワーの適応に与える影響は何か。
• RQ5 本稿で提案するP-SCA手法は、ベンチマーク用の軌道（SHAF）と比較して、システム性能およびロバスト性においてどのように異なるか。

主な発見

• P-SCA手法は、飛行時間の延長に伴ってSHAFベンチマークよりも常に高い最小平均伝送レート（ATR）を達成する。
• P-SCA手法下では、飛行期間Tが延長するにつれて、最小ATRが単調に増加する傾向を示し、より優れた設計の柔軟性を示す。
• 隠密性要件（ε）が厳しくなるに従い、P-SCA下でのUAVの軌道は、すべての地上ユーザーの重心方向に収束する。
• より高い隠密性要件では、UAVの最大人工雑音送信パワーが増加し、検出範囲の短縮を補償する。
• P-SCA手法は、混合整数非凸問題を効果的に処理でき、適応的軌道およびパワー設計のおかげで、SHAFベンチマークを上回る性能を発揮する。
• システム性能は、主に隠密性要件によって制限され、より厳しいε値では顕著に低い達成可能なレートが得られる。