[논문 리뷰] Reflections in the Sky: Joint Trajectory and Passive Beamforming Design for Secure UAV Networks with Reconfigurable Intelligent Surface

Hui Long, Ming Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 80

한 줄 요약

이 연구는 RIS를 이용한 보안이 강화된 에너지 효율적 UAV-기반 통신을 연구하며, UAV 궤적, RIS 위상 시프트, 사용자 결합, 전송 전력을 교대적이고 SCA 기반 알고리즘으로 공동 최적화합니다. 기존의 AF 중계기에 비해 주목할 만한 이득을 보고합니다.

ABSTRACT

This paper investigates the problem of secure energy efficiency maximization for a reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted uplink wireless communication system, where an unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with an RIS works as a mobile relay between the base station (BS) and a group of users. We focus on maximizing the secure energy efficiency of the system via jointly optimizing the UAV's trajectory, the RIS's phase shift, users' association and transmit power. To tackle this problem, we divide the original problem into three sub-problems, and propose an efficient iterative algorithm. In particular, the successive convex approximation method (SCA) is applied to solve the nonconvex UAV trajectory, the RIS's phase shift, and transmit power optimization sub-problems. We further provide two schemes to simplify the solution of phase and trajectory sub-problem. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm converges fast, and the proposed design can enhance the secure energy efficiency by up to 38\% gains, as compared to the traditional schemes without any RIS.

연구 동기 및 목표

• 장애물과 도청을 극복하기 위해 RIS가 포함된 UAV 지원 네트워크에서 보안 통신을 촉진합니다.
• 에너지 효율을 최적화하면서 최소(공정한) 비밀률을 최대화합니다.
• UAV 궤적, RIS 위상 시프트, 사용자 연결, 전송 전력을 공동으로 최적화하는 효율적인 알고리즘을 개발합니다.
• 전통적 중계기와 비교하여 UAV-활용 보안 네트워크에서 RIS의 이점에 대한 통찰력을 제공합니다.

제안 방법

• 사용자와 기지국 사이를 중계하는 UAV에 탑재된 RIS를 갖춘 업링크 RIS 지원 시스템을 모델링합니다.
• 비볼록 최대-최소 비밀에너지효율 문제를 형식화하고 세 개의 하위문제로 분해합니다(연결/사용자 할당, 전력, 위상/궤적).
• 비볼록 하위문제에 연속 볼록 근사를 적용하고 교대 최적화 프레임워크를 사용합니다.
• RIS 소자에 대한 수식적 위상 정렬(일치)을 도출하여 수신 에너지를 최대화하고 두 가지 궤적-위상 최적화 스킴을 제안합니다.
• 수렴 보장을 갖는 반복 알고리즘 2를 제공하고 계산 복잡도를 분석합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 궤적, RIS 위상 시프트, 사용자 연결, 및 전송 전력을 어떻게 공동 최적화하여 비밀 에너지 효율을 극대화할 수 있을까요?
• RQ2 전통적인 AF 중계기에 비해 UAV 지원 보안 네트워크에 RIS를 추가하는 이점은 무엇인가요?
• RQ3 UAV 속도 및 에너지 소모와 같은 실용적 제약 하에서 궤적 및 위상 최적화는 어떻게 상호 작용합니까?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 RIS가 없는 스킴에 비해 비밀 에너지 효율을 최대 38% 향상시킬 수 있습니다.
• RIS-지원 UAV는 비밀 에너지 효율에서 전통적 AF 중계보다 우수할 수 있으며, 이득은 RIS 소자 수가 증가할수록 커집니다.
• 최적 UAV 궤적은 사용자를 방문하는 닫힌 루프를 형성하고 도청자와의 접근 근접을 피하여 비밀을 유지합니다.
• RIS는 다양한 높이 및 경로손실 조건에서 눈에 띄는 에너지 효율 이득을 제공하며 RIS 소자 수가 많을수록 이익이 커집니다.
• 스킴 I(위상 및 궤적의 공동 최적화)가 스킴 II(대안적 단순화)보다 더 나은 성능을 제공합니다.
• 수치 결과는 빠른 수렴과 차단된 야외 환경에서의 RIS의 명확한 이점을 보여줍니다.