[논문 리뷰] Secrecy Energy Efficiency Maximization for UAV-Enabled Mobile Relaying

Lin Xiao, Yu Xu외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 12.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 17인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 잠재적인 도청자가 존재하는 UAV 기반 이동 중계 시스템에서 비밀성 에너지 효율성(SEE)을 최대화하기 위해 통신 스케줄링, 전력 할당, UAV 궤적을 공동 최적화하는 방법을 제안한다. SCA(순차적 볼록 근사) 및 Dinkelbach의 알고리즘을 적용함으로써 제안된 반복적 방법은 기준 대비 상당한 SEE 향상을 달성하였으며, 특히 시간 영역이 증가할수록 최대 12.27 kbits/J까지 향상된다.

ABSTRACT

This paper investigates the secrecy energy efficiency (SEE) maximization problem for unmanned aerial vehicle enabled mobile relaying system, where a high-mobility UAV is exploited to assist delivering the confidential information from a ground source to a legitimate ground destination with the direct link blocked, in the presence of a potential eavesdropper. We aim to maximize SEE of the UAV by jointly optimizing the communication scheduling, power allocation, and UAV trajectory over a finite time horizon. The formulated problem is a mixed-integer non-convex optimization problem that is challenging to be solved optimally. To make the problem tractable, we decompose the problem into three subproblems, and propose an efficient iterative algorithm that alternately optimizes the subproblems. In addition, two special cases are considered as benchmarks in this paper. Simulation results show that the proposed design significantly improves the SEE of the UAV, as compared to the benchmarks

연구 동기 및 목표

• 직접 링크가 차단되고 도청자가 존재할 수 있는 UAV 기반 이동 중계 시스템에서 기밀 통신을 보호하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 유한한 시간 영역 동안 비밀성 비율과 UAV 에너지 소비를 균형 잡는 비밀성 에너지 효율성(SEE)을 최대화한다.
• 이동 제약 조건(속도, 가속도, 초기/최종 위치) 하에서 통신 스케줄링, 전송 전력 할당, UAV 궤적을 공동 최적화한다.
• 비볼록성 및 혼합정수 성격을 가진 SEE 최대화 문제를 분해 및 반복 최적화를 통해 극복한다.
• 고정된 직선 궤적 또는 궤적 최적화 없이 설계된 기준 대비 공동 설계의 우수성을 입증한다.

제안 방법

• UAV의 속도, 가속도, 평균 전력에 대한 제약 조건을 포함한 혼합정수 비볼록 최적화 문제로 SEE 최대화 문제를 수립한다.
• 문제를 스케줄링, 전력 할당, 궤적 최적화의 세 부분 문제로 분해하고 반복적으로 해결한다.
• 궤적 및 전력 부분 문제의 비볼록성을 다루기 위해 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 적용한다.
• 분수형 SEE 최대화 문제를 해결하기 위해 Dinkelbach의 알고리즘을 사용하여 순차적인 매개변수 하위 문제로 변환한다.
• UAV가 이미 수집한 정보만을 전달할 수 있도록 정보 인과성 제약 조건을 강제한다.
• 신뢰성 있고 안전한 전송을 위해 디코드 앤 포워드(DF) 중계 방식을 적용한 시간분할 duplex(TDD) 프로토콜을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 궤적, 전력 할당, 통신 스케줄링의 공동 최적화는 이동 중계 시스템에서 비밀성 에너지 효율성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 시간 영역 길이가 SEE 최대화에서 궤적 최적화의 성능 향상에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 고정 또는 제약 없는 궤적을 가진 기준 대비 제안된 알고리즘이 SEE 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 UAV의 속도 및 가속도 제약 조건 하에서 궤적 설계는 비밀성 비율 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 정보 인과성 제약 조건은 공동 최적화 프레임워크의 타당성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 공동 설계는 100초 시간 영역에서 비밀성 에너지 효율성(SEE)을 12.27 kbits/J로 달성하여 기준 대비 뚜렷한 승리를 거두었다.
• 시간 영역이 증가할수록 SEE가 향상되며, T=300s일 때 제안된 방법은 11.08 kbits/J를 달성했고, DCF/wo 설계는 6.31 kbits/J, SF/w 설계는 1.30 kbits/J를 기록했다.
• T=300s일 때 평균 소스 전력 증가에 따라 SEE는 일정 수준까지 증가하지만, 이후 중계기 전력 제약으로 인해 전송 용량이 한계에 도달하여 성능 향상이 멈춘다.
• 시간 영역이 길어질수록 궤적 최적화가 SEE 향상에서 주도적인 역할을 하며, UAV가 원천과 목적지 근처에서 '8'자 패턴으로 정지하여 최적의 비밀성 확보를 가능하게 한다.
• UAV는 S2R(원천-중계기) 및 R2D(중계기-목적지) 단계를 번갈아가며 운영하며, 최적의 전환은 채널 조건과 도청자 가까이에 따라 결정된다.
• 정보 인과성 제약 조건은 시간 영역 종료 시 등호로 만족되며, 제안된 스케줄링 및 전달 논리의 정확성을 검증한다.