[논문 리뷰] Low-Complexity Joint Power Allocation and Trajectory Design for UAV-Enabled Secure Communications with Power Splitting

Kaidi Xu, Minjian Zhao외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 23.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 33인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 전력 분할을 사용한 드론(UAV) 기반 보안 통신에서 공동 경로 및 전력 할당을 위한 저복잡도 반복 알고리즘을 제안한다. 여기서 드론은 기밀 메시지와 인공 노이즈 사이에 전송 전력을 분할하여 기밀율을 최대화한다. 이 방법은 블록 좌표 강하(BCD), CCCP, ADMM를 조합하여 낮은 계산 비용으로 근사 닫힌 형태의 해를 달성하며, 이동성과 전력 제약 하에서 기밀 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

An unmanned aerial vehicle (UAV)-aided secure communication system is conceived and investigated, where the UAV transmits legitimate information to a ground user in the presence of an eavesdropper (Eve). To guarantee the security, the UAV employs a power splitting approach, where its transmit power can be divided into two parts for transmitting confidential messages and artificial noise (AN), respectively. We aim to maximize the average secrecy rate by jointly optimizing the UAV's trajectory, the transmit power levels and the corresponding power splitting ratios allocated to different time slots during the whole flight time, subject to both the maximum UAV speed constraint, the total mobility energy constraint, the total transmit power constraint, and other related constraints. To efficiently tackle this non-convex optimization problem, we propose an iterative algorithm by blending the benefits of the block coordinate descent (BCD) method, the concave-convex procedure (CCCP) and the alternating direction method of multipliers (ADMM). Specially, we show that the proposed algorithm exhibits very low computational complexity and each of its updating steps can be formulated in a nearly closed form. Our simulation results validate the efficiency of the proposed algorithm.

연구 동기 및 목표

• 실제 제약 조건 하에서 드론 기반 보안 통신에서 평균 기밀율을 최대화하기 위해.
• 시간에 따라 드론의 경로, 전송 전력 할당 및 전력 분할 비율을 공동 최적화하기 위해.
• 이동성, 에너지 및 전력 제약 하에서 공동 경로 및 전력 할당으로 인해 발생하는 고도로 비볼록적인 최적화 문제를 다루기 위해.
• 실용적인 보안 드론 시스템 구현을 가능하게 하는 저복잡도 알고리즘을 개발하기 위해.

제안 방법

• 알고리즘은 블록 좌표 강하(BCD)를 사용하여 경로, 전력 할당 및 전력 분할 비율을 반복적으로 최적화한다.
• 기밀율 최대화 문제의 비볼록성 처리를 위해 오목-병오목 절차(CCCP)를 적용한다.
• 문제를 다룰 수 있는 부분문제로 분해하기 위해 교차 방향 다중승수 방법(ADMM)을 사용한다. 이는 근사 닫힌 형태의 해를 제공한다.
• 각 부분문제는 이중 분해 및 라그랑주 제약 조건을 통해 해결되어 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 드론 속도, 총 추진 에너지 및 총 전송 전력에 대한 제약 조건을 유지하면서 변수를 반복적으로 업데이트함으로써 수렴을 보장한다.
• 카루시-쿠른-터커(KKT) 조건과 이중 변수 업데이트를 사용하여 각 변수의 최적 해를 해석적으로 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 드론이 정상 수신자에게 전송하는 드론 보조 통신 시스템에서, 도청자가 존재할 경우 기밀율을 어떻게 최대화할 수 있는가?
• RQ2 물리 계층 보안을 향상시키기 위해 드론 경로, 전송 전력 및 전력 분할 비율의 최적 공동 설계는 무엇인가?
• RQ3 낮은 계산 복잡도로 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 이동성 및 에너지 제약은 드론 기반 보안 시스템의 기대 기밀율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 알고리즘은 높은 성능와 수렴성을 유지하면서 근사 닫힌 형태의 해를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 기준 대비 상당한 기밀율 향상을 보이며, 특히 고속 이동 조건에서 두드러진다.
• 모든 부분문제에 대해 근사 닫힌 형태의 해를 사용함으로써 알고리즘의 각 반복이 빠르게 수렴한다.
• BCD, CCCP 및 ADMM를 활용함으로써 계산 복잡도가 크게 감소하여 실시간 구현이 가능해졌다.
• 최대 드론 속도, 총 추진 에너지 및 총 전송 전력 제약 조건을 모두 유지하면서 탐색 가능성을 확보했다.
• 시뮬레이션 결과는 경로 및 전력 할당의 공동 최적화가 별도 최적화 또는 고정 전력 분할 기법보다 뛰어난 성능을 낸다는 것을 확인했다.
• 부정확한 채널 상태 정보에 대해 강인하며, 도청자 위치에 대한 불확실성 하에서도 양호한 성능을 보였다.