[논문 리뷰] Intelligent Reflecting Surface Aided Secure UAV Communications

Wen Wang, Hui Tian외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 21인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 비선형 및 비볼록 제약 조건 하에서 신뢰성 높은 비밀성 전송을 달성하기 위해 드론(UAV)의 이동 경로, 전송 전력, 지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)의 위상 보정을 공동으로 최적화하여 물리계층 보안을 향상시키는 새로운 프레임워크를 제안한다. 분수계획법과 순차적 볼록 근사법을 활용하여, 전력과 위상 보정에 대해 닫힌 형태의 해를 도출하는 저복잡도의 교대 알고리즘을 개발함으로써 기준 대비 상당한 비밀성 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this letter, we study the secure communication problem in the unmanned aerial vehicle (UAV) enabled networks aided by an intelligent reflecting surface (IRS) from the physical-layer security perspective. Specifically, the IRS is deployed to assist the wireless transmission from the UAV to the ground user in the presence of an eavesdropper. The objective of this work is to maximize the secrecy rate by jointly optimizing the phase shifts at the IRS as well as the transmit power and location of the UAV. However, the formulated problem is difficult to solve directly due to the non-linear and non-convex objective function and constraints. By invoking fractional programming and successive convex approximation techniques, the original problem is decomposed into three subproblems, which are then transformed into convex ones. Next, a low-complexity alternating algorithm is proposed to solve the challenging non-convex problem effectively, where the closed-form expressions for transmit power and phase shifts are obtained at each iteration. Simulations results demonstrate that the designed algorithm for IRS-aided UAV communications can achieve higher secrecy rate than benchmarks.

연구 동기 및 목표

• 도청자가 LOS 링크를 악용할 수 있는 드론 네트워크에서 물리계층 보안 문제를 해결하기 위해.
• 지능형 반사 표면(IRS)을 드론 통신 시스템에 통합하여 비밀성 향상을 위한 제어 가능한 무선 환경을 조성하기 위해.
• 비볼록 및 비선형 제약 조건 하에서 드론의 전송 전력, 위치, IRS 위상 보정을 공동으로 최적화하여 비밀성 전송률을 극대화하기 위해.
• 어려운 비볼록 문제에 대해 높은 품질의 해로 효율적으로 수렴하는 저복잡도 알고리즘을 개발하기 위해.
• 다양한 시스템 파라미터 하에서 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 방법의 성능 향상을 검증하기 위해.

제안 방법

• 드론 이동 경로, 전송 전력, IRS 위상 보정을 포함하는 비볼록 비밀성 전송률 극대화 문제를 수립한다.
• 비율 기반 비밀성 전송률을 더 다룰 수 있는 형태로 변환하기 위해 분수계획법을 적용한다.
• 비볼록 문제를 반복적으로 볼록화하여 다루기 쉬운 부분문제로 변환하기 위해 순차적 볼록 근사( Successive Convex Approximation, SCA)를 사용한다.
• 원래 문제를 세 부분문제로 분해한다: 전송 beamforming, IRS 위상 보정 최적화, 드론 위치/전력 최적화.
• 각 반복 단계에서 전력과 위상 보정에 대해 닫힌 형태의 해를 도출하여 계산 복잡도를 감소시킨다.
• 드론 위치, 전력, IRS 위상 보정을 교대로 최적화하는 알고리즘을 제안하며, 수렴 보장을 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS는 드론-IRS 통합 네트워크에서 물리계층 보안을 향상시키기 위해 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ2 비밀성 전송률을 극대화하기 위해 드론 이동 경로, 전송 전력, IRS 위상 보정을 최적화하는 최적의 설계는 무엇인가?
• RQ3 제안된 알고리즘이 기준 대비 비밀성 전송률과 복잡도 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 IRS 크기 및 IRS-사용자 간 거리와 같은 핵심 시스템 파라미터가 비밀성 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 닫힌 형태의 해와 저복잡도로 비볼록 비밀성 전송률 극대화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 기준 대비 더 높은 비밀성 전송률을 달성하여, IRS가 드론 보안 향상에 효과적임을 입증한다.
• IRS 반사 요소의 수가 증가할수록 비밀성 전송률이 증가함을 보여주며, 더 큰 IRS 면적의 이점이 있음을 시사한다.
• 합법 사용자에 가까이 배치된 최적의 IRS는 더 높은 비밀성 전송률을 제공함을 보여주며, IRS 설치 위치의 중요성을 강조한다.
• 최대 전송 전력은 비밀성 전송률에 상당한 영향을 미치며, 고전력 수준에 도달하면 성능 포화 상태에 이를 수 있음을 확인한다.
• 각 단계에서 닫힌 형태의 해를 도출함으로써 알고리즘이 매우 빠르게 수렴하여 낮은 계산 복잡도를 확보한다.
• 수치 결과는 드론 이동성, 전력, IRS 위상 보정을 공동으로 최적화하는 것이 별도로 최적화하거나 고정 파rameter를 사용하는 설계보다 뛰어난 성능을 발휘함을 확인한다.