[논문 리뷰] Active Intelligent Reflecting Surface Assisted Secure Air-to-Ground Communication with UAV Jittering

Yimeng Ge, Jiancun Fan|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 드론의 진동으로 인한 성능 저하를 완화하기 위해 활성 인텔리전트 반사면(IRS)을 사용한 공중에서 지상으로 향하는 드론 통신(A2G)을 위한 강건한 보안 전송 방식을 제안한다. 최악의 상황에서의 기밀성 비율 제약 조건 하에 드론의 beamforming과 IRS의 위상 이동 및 증폭 이득을 공동 최적화함으로써, 전송 전력은 크게 감소하고 물리 계층 보안성이 향상된다. 채널 불확실성 하에서의 수치 결과는 전력 절감 효과를 입증한다.

ABSTRACT

Unmanned Aerial Vehicles (UAV)-enabled communication is a promising solution for secure air-to-ground (A2G) networks due to the additional secure degrees of freedom afforded by mobility. However, the jittering characteristics caused by the random airflow and the body vibration of the UAV itself have a non-negligible impact on the performance of UAV communication. Considering the impact of UAV jittering, this paper propose a robust and secure transmission design assisted by an novel active intelligent reflecting surface (IRS),where the reflecting elements in IRS not only adjust the phase shift but also amplify the amplitude of signals. Specifically, under the worst-case secrecy rate constraints, we aim to minimize the transmission power by the robust joint design of active IRS's reflecting coefficient and beamforming at the UAV-borne base station (UBS). However,it is challenging to solve the joint optimization problem due to its non-convexity. To tackle this problem, the non-convex problem is reformulated with linear approximation for the channel variations and linear matrix inequality transformed by S-procedure and Schur's complement. Then, we decouple this problem into two sub-problems, namely, passive beamforming and active IRS's reflecting coefficient optimization, and solve them through alternate optimization (AO). Finally, the numerical results demonstrate the potential of active IRS on power saving under secure transmission constraints and the impact of UAV jittering.

연구 동기 및 목표

• 무작위 바람과 기계적 진동으로 인한 드론의 진동으로 인해 발생하는 드론 기반 공중에서 지상으로 향하는(A2G) 통신의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 활성 IRS가 위상 이동과 신호 증폭을 모두 제공하므로, 이를 활용해 A2G 네트워크의 물리 계층 보안성을 향상시키기 위해.
• 드론의 진동으로 인한 채널 불확실성을 고려하여, 최악의 상황에서의 기밀성 비율 제약 조건 하에 드론 탑재 기지국(UBS)의 전송 전력을 최소화하기 위해.
• 드론 운동으로 인한 최악의 채널 불확실성 하에서도 안정적인 보안성과 에너지 효율성을 확보할 수 있는 강건한 공동 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 최악의 기밀성 비율 제약 조건 하에서 드론 beamforming과 활성 IRS 반사 계수의 공동 설계를 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 드론의 진동으로 인한 채널 변동을 다루기 위해 선형 근사를 적용하여 문제를 해석 가능한 형태로 변환한다.
• S-절차와 슈어의 보조정리(Schur’s complement)를 사용하여 비볼록 제약 조건을 선형 행렬 부등식(LMI) 형태로 변환한다.
• 공동 문제를 수동 beamforming과 활성 IRS 계수 최적화의 두 하위 문제로 분해하고, 교대 최적화(AO) 방법을 통해 해결한다.
• 채널 불확실성 하에서 기밀성 비율의 하한을 선형화하기 위해 일阶 테일러 근사를 활용한다.
• 최악의 채널 모델 하에서도 수렴 보장이 되도록 beamforming과 IRS 반사 계수를 반복적으로 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드론의 진동은 A2G 통신 시스템의 기밀성 비율과 전력 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 위상 이동과 증폭 기능을 동시에 갖춘 활성 IRS는 드론의 진동 상황에서도 기밀성 비율을 향상시키고 전송 전력을 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 드론 운동으로 인한 최악의 채널 불확실성 하에서 최적의 강건한 beamforming과 IRS 반사 계수 설계는 무엇인가?
• RQ4 기존의 수동 IRS나 직접 전송 방식과 비교해 본다면, 제안된 방식은 전력 효율성과 보안성 측면에서 어떤가?

주요 결과

• 제안된 강건한 beamforming과 활성 IRS 최적화 방식은 동일한 기밀성 비율 제약 조건 하에서 기존 방식보다 뚜렷한 전력 절감 효과를 달성한다.
• 수치 결과는 활성 IRS가 원치 않는 신호를 억제하고 원하는 신호를 강화함으로써 드론의 진동이 기밀성 성능에 악영향을 미치는 것을 효과적으로 완화함을 확인한다.
• 모든 채널 불확실성 실현값에서 최악의 기밀성 비율이 유지됨으로써 제안된 설계의 강건성이 입증된다.
• 교대 최적화(AO) 알고리즘은 안정적으로 수렴함을 보이며 실시간 구현 가능성도 입증한다.
• 활성 IRS의 통합은 보다 높은 보안 자유도를 제공하여, 수동 IRS나 직접 링크보다 더 우수한 기밀성 비율 성능을 달성한다.