[논문 리뷰] Joint Power and Trajectory Design for Physical-Layer Secrecy in the UAV-Aided Mobile Relaying System

Qian Wang, Zhi Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 21.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 9인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 도청자가 존재하는 비선시각 환경에서 물리계층 비밀성 수율을 최대화하기 위해 UAV 보조 이동 중계 시스템을 위한 동시 전력 및 궤적 최적화 프레임워크를 제안한다. 교차 최적화와 순차적 볼록 프로그래밍을 활용하여, 반복적으로 중계기 궤적과 전력 할당을 정밀하게 조정함으로써, KKT 점으로 수렴하고 도청자가 존재하는 환경에서 비밀성 처리 능력을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Mobile relaying is emerged as a promising technique to assist wireless communication, driven by the rapid development of unmanned aerial vehicles (UAVs). In this paper, we study secure transmission in a four-node (source, destination, mobile relay, and eavesdropper) system, wherein we focus on maximizing the secrecy rate via jointly optimizing the relay trajectory and the source/relay transmit power. Nevertheless, due to the coupling of the trajectory designing and the power allocating, the secrecy rate maximization (SRM) problem is intractable to solve. Accordingly, we propose an alternating optimization (AO) approach, wherein the trajectory designing and the power allocating are tackled in an alternating manner. Unfortunately, the trajectory designing is a nonconvex problem, and thus is still hard to solve. To circumvent the nonconvexity, we exploit sequential convex programming (SCP) to derive an iterative algorithm, which is proven to converge to a Karush-Kuhn-Tucker (KKT) point of the trajectory design problem. The simulation results demonstrate the efficacy of the joint power and trajectory design in improving the secrecy throughput.

연구 동기 및 목표

• 이동 중계기와 도청자가 존재하는 UAV 보조 이동 중계 시스템에서 비밀성 수율을 최대화하는 문제에 대응하기 위해.
• 원천 및 중계기의 전력 할당과 UAV의 궤적을 동시에 최적화하여 물리계층 보안을 향상시키기 위해.
• 궤적 설계와 전력 할당 간의 비볼록 결합을 교차 최적화 프레임워크를 통해 극복하기 위해.
• 이동 제약 조건(초기/최종 위치 및 속도 제한)을 통합하여 실용적 타당성을 확보하기 위해.
• 궤적 최적화를 위한 순차적 볼록 프로그래밍(SCP)을 통해 카루시-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 점으로의 수렴을 보장하기 위해.

제안 방법

• 문제는 고정된 궤적에서의 전력 할당과 고정된 전력에서의 궤적 최적화로 두 개의 하위문제로 분해되며, 교차 최적화(AO)를 통해 반복적으로 해결된다.
• 궤적 최적화를 위해, 비볼록 수율 표현식에 대한 일阶 테일러 기반 볼록 하한을 구성함으로써 순차적 볼록 프로그래밍(SCP) 접근법을 적용한다.
• 로그 함수의 볼록성에 기반한 볼록 하한을 활용하여 중계기 및 목적지에서의 실현 가능한 수율을 근사함으로써 수렴성을 보장한다.
• 도청자 비밀성, 정보 인과성, UAV 이동성(속도 및 위치 제한) 등의 제약 조건이 반복 최적화 과정에서 유지된다.
• 거리 기반 채널 이득과 비밀성 수율 표현식의 연속적인 볼록 근사화를 사용하여 비볼록 문제를 볼록 하위문제의 시퀀스로 변환한다.
• SCP 기반 궤적 최적화 하위문제에 대해 KKT 점으로의 수렴이 분석적으로 증명된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 도청자가 존재하는 UAV 보조 이동 중계 시스템에서 비밀성 수율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 이동성 및 인과성 제약 조건 하에서 비밀성 수율을 동시에 최대화하는 최적의 궤적과 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 비볼록 동시 최적화 문제인 궤적과 전력이 순차적 볼록 프로그래밍을 통해 수렴 보장과 함께 효과적으로 해결될 수 있는가?
• RQ4 제안된 AO-SCP 프레임워크는 정적 중계기 또는 별도 최적화 방법에 비해 비밀성 처리 능력에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 초기/최종 UAV 위치와 속도 제한은 실현 가능한 비밀성 수율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 AO-SCP 알고리즘은 카루시-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 점으로 수렴하여 궤적 최적화 하위문제의 국소 최적성을 보장한다.
• 전력과 궤적의 공동 설계는 궤적 최적화 없이 구현된 전통적 방법에 비해 비밀성 처리 능력을 크게 향상시킨다.
• 비밀성 수율 최대화 문제는 반복적인 볼록 근사화를 통해 볼록 하위문제의 시퀀스로 재구성되어 효율적인 수치적 해법이 가능해진다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 벤치마크 방법보다 더 높은 비밀성 수율을 달성함을 확인하였으며, 특히 강한 도청 채널 환경에서 두드러진 성능 향상을 보였다.
• 알고리즘은 초기/최종 UAV 위치, 속도 제한, 중계기 버퍼링을 위한 정보 인과성 등의 모든 제약 조건을 유지한다.
• 최적 해는 도청자 회피 제약 조건을 등호로 만족함으로써, 비밀성 성능의 엄격한 경계를 나타낸다.