[논문 리뷰] Robust Trajectory and Transmit Power Design for Secure UAV Communications

Miao Cui, Guangchi Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 17.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 16인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 탈취자 위치 정보를 가진 상황에서 안정적인 UAV 통신을 위한 강건한 공동 궤적 및 송신 전력 설계를 제안한다. 블록 좌표 강하, S-절차, 그리고 순차적 볼록 최적화를 활용하여, 동적인 불확실한 환경에서 다수의 탈취자가 존재할 경우 평균 최악의 경우 비밀 통신률을 최대화한다. 이는 비강건 기준보다 뚜렷하게 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are anticipated to be widely deployed in future wireless communications, due to their advantages of high mobility and easy deployment. However, the broadcast nature of air-to-ground line-of-sight wireless chan- nels brings a new challenge to the information security of UAV- ground communication. This paper tackles such a challenge in the physical layer by exploiting the mobility of UAV via its trajectory design. We consider a UAV-ground communication system with multiple potential eavesdroppers on the ground, where the information on the locations of the eavesdroppers is imperfect. We formulate an optimization problem which maximizes the average worst-case secrecy rate of the system by jointly designing the robust trajectory and transmit power of the UAV over a given flight duration. The non-convexity of the optimization problem and the imperfect location information of the eavesdroppers make the problem difficult to be solved optimally. We propose an iterative suboptimal algorithm to solve this problem efficiently by applying the block coordinate descent method, S-procedure, and successive convex optimization method. Simulation results show that the proposed algorithm can improve the average worst-case secrecy rate significantly, as compared to two other benchmark algorithms without robust design.

연구 동기 및 목표

• 탈취자 위치가 불확실한 상황에서 UAV-지상 통신의 물리계층 보안 문제를 해결하기 위해.
• 이동성, 평균 및 최대 전력 제약 조건 하에서 비밀 통신률을 최대화하기 위해 UAV 궤적과 송신 전력을 공동 최적화하기 위해.
• 다수의 지상 탈취자에 대한 위치 추정 오차에 대비한 강건한 성능을 확보하기 위해.
• 완벽한 탈취자 지식을 가정한 비강건 설계보다 뛰어난 실용적인 알고리즘을 개발하기 위해.
• 실제 비행 시간과 전력 범위에서의 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 불완전한 탈취자 위치 정보 하에서 평균 최악의 경우 비밀 통신률을 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 불확실한 탈취자 영역으로 인해 발생하는 반무한 제약 조건을 처리하기 위해 S-절차를 적용한다.
• 비볼록 문제를 다룰 수 있는 볼록 하위문제로 반복적으로 근사하기 위해 순차적 볼록 최적화를 사용한다.
• 전력 및 이동 제약 조건 하에서 UAV 궤적과 송신 전력을 번갈아 최적화하기 위해 블록 좌표 강하를 활용한다.
• 불확실성 하에서 부분최적해이지만 강건한 해로 수렴하는 반복 알고리즘을 구현한다.
• 알고리즘 초기화를 위해 최선의 노력 궤적을 활용해 초기 탇점들을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 탈취자 위치 지식은 UAV 통신에서 비밀 통신률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 탈취자 위치가 불확실할 경우, 강건한 공동 궤적 및 전력 설계가 비강건 설계를 능가할 수 있는가?
• RQ3 비행 시간과 평균 송신 전력이 불확실성 하에서 최악의 경우 비밀 통신률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 알고리즘은 어떻게 합법적 링크를 향상시키면서도 다수의 탈취 링크를 악화시키는가?
• RQ5 UAV 보안 설계에서 위치 불확실성을 명시적으로 모델링함으로써 달성 가능한 성능 향상은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 강건 알고리즘이 비강건 및 최선의 노력 기준 알고리즘보다 평균 최악의 경우 비밀 통신률을 뚜렷이 향상시킨다.
• T = 160 s 및 ĀP = -5 dBm일 때, 위치 불확실성을 더 잘 처리함으로써 비강건 알고리즘보다 강건 알고리즘이 더 높은 비밀 통신률을 달성한다.
• 고전력 수준에서 비밀 통신률이 포화 상태에 도달함을 보여, 고전력 영역에서는 궤적 설계가 성능를 지배함을 시사한다.
• 전력이 증가함에 따라 비강건 알고리즘이 강건 알고리즘보다 성능이 열 劣함을 보이며, 이는 위치 추정 오차를 고려하지 못하기 때문이다.
• 비행 시간이 길어질수록 강건 알고리즘의 궤적이 비강건 알고리즘과 다릅니다. 특히, 불확실한 탈취자에 대비해 간섭을 균형 잡기 위해 정지 지점이 조정된다.
• 알고리즘이 탈취자 불확실성 영역이 다를 경우에도 최악의 경우를 우선시함으로써 비밀 유지 성능을 성공적으로 유지를 한다.