[논문 리뷰] Optimal Transmit Power and Flying Location for UAV Covert Wireless Communications

Shihao Yan, Stephen V. Hanly외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 19.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 31인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 감시 영역 내의 감시자(warden)에 의해 탐지되지 않도록 하면서도 합법적인 지상 수신기로의 통신 품질을 극대화하기 위해 드론의 송신 전력과 비행 위치를 공동 최적화하는 방법을 제안한다. 주요 제약 조합에 대해 명시적인 해를 도출하고, 최적의 2차원 위치를 종종 1차원 검색을 통해 찾을 수 있음을 보여주며, 특정 시나리오에서 히وري스틱 접근법보다 뚜렷한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

This paper jointly optimizes the flying location and wireless communication transmit power for an unmanned aerial vehicle (UAV) conducting covert operations. This is motivated by application scenarios such as military ground surveillance from airborne platforms, where it is vital for a UAV's signal transmission to be undetectable by those within the surveillance region. Specifically, we maximize the communication quality to a legitimate ground receiver outside the surveillance region, subject to: a covertness constraint, a maximum transmit power constraint, and a physical location constraint determined by the required surveillance quality. We provide an explicit solution to the optimization problem for one of the most practical constraint combinations. For other constraint combinations, we determine feasible regions for flight, that can then be searched to establish the UAV's optimal location. In many cases, the 2-dimensional optimal location is achieved by a 1-dimensional search. We discuss two heuristic approaches to UAV placement, and show that in some cases they are able to achieve close to optimal, but that in other cases significant gains can be achieved by employing our developed solutions.

연구 동기 및 목표

• 드론 코베이트 무선 통신에서 합법적인 지상 수신기로의 통신 품질을 극대화하기 위해.
• 드론의 전송이 감시 영역 내의 감시자(윌리)에 의해 탐지되지 않도록 보장하기 위해.
• 실용적 제약 조건을 만족하기 위해: 최대 송신 전력, 윌리까지의 최소 거리, 감시 품질을 위한 최소 각도.
• 이러한 제약 조건 하에서 드론의 비행 위치(거리 및 각도)와 송신 전력을 공동 최적화하기 위해.
• 다양한 제약 조합에 대해 최적의 드론 배치를 위한 명시적 해와 탐색 가능한 영역을 제공하기 위해.

제안 방법

• 합법적 수신기(밥)에서의 신호대간섭비합성잡음비(SINR)를 극대화하는 제약 조건 최적화 문제를 수립하며, 은밀성, 전력, 기하학적 제약 조건을 포함한다.
• 윌리의 탐지 오차율에 대한 분석적 표현을 사용하여, 한 가지 핵심 제약 조합 하에서 최적의 송신 전력과 위치에 대한 닫힌 형식의 해를 유도한다.
• 윌리의 탐지 성능과 연결된 $ \partial f / \partial \theta_w = 0 $ 를 풀어 최적의 각도 $ \theta_w $ 를 결정하기 위해 함수 $ \bar{g}(\theta_w) $ 를 도입한다.
• 최적의 각도가 $ [0, \arccos(d_w/L)] $ 내에 존재하며, 주요 함수의 단조성 분석을 통해 해의 유일성을 증명한다.
• 기타 제약 조합에 대해서는 드론 위치에 대한 탐색 가능한 2차원 영역을 정의하여 효율적으로 탐색할 수 있도록 하며, 많은 경우 문제를 1차원 검색으로 환원한다.
• 제안된 방법을 두 가지 히وري스틱 드론 위치 전략과 비교하여 수치적 평가를 통해 성능 향상을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합법적인 지상 수신기로의 통신 품질을 극대화하면서도 감시자에 의해 탐지되지 않도록 하기 위해 드론의 송신 전력과 비행 위치의 최적 조합은 무엇인가?
• RQ2 드론 위치와 전력을 공동 최적화하는 것이 히وري스틱 위치 전략에 비해 코베이트 통신 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 어떤 제약 조합에서는 최적의 2차원 드론 위치를 1차원 검색으로 찾을 수 있으며, 언제는 전체 2차원 검색이 필요한가?
• RQ4 은밀성 제약의 분석적 구조는 무엇이며, 드론 배치의 가능 영역에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 드론이 감시자로부터의 거리와 각도가 통신 품질과 은밀성의 상호 간 상충 관계에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 한 가지 핵심 제약 조합 하에서 최적의 송신 전력과 드론 위치에 대한 명시적 닫힌 형식의 해를 도출하여 직접 계산이 가능해졌다.
• 최적의 각도 $ \theta_w $ 는 $ [0, \arccos(d_w/L)] $ 내에 존재하며, 주요 함수 $ \bar{g}(\theta_w) $ 의 단조성으로 인해 해가 유일하다.
• 많은 실용적 사례에서 2차원 최적의 드론 위치를 1차원 검색을 통해 각도 $ \theta_w $ 에 대해 찾을 수 있어 계산 복잡도가 크게 감소한다.
• 히وري스틱 드론 위치 전략은 일부 시나리오에서는 거의 최적의 성능을 달성하지만, 다른 경우에서는 상당한 성능 손실을 겪을 수 있어 제안된 분석적 해의 가치가 뚜렷하다.
• 제안된 방법은 드론이 윌리에 의해 탐지되지 않도록 하면서도 밥에서의 SINR을 극대화하며, 모든 물리적 및 운영 제약 조건을 만족시킨다.
• 분석을 통해 드론은 감시 품질과 은밀성의 균형을 유지하기 위해 최소 거리와 최소 각도를 유지해야 하며, 최적의 점은 가능 영역의 경계에 위치함을 확인했다.