[논문 리뷰] Securing Mobile Multiuser Transmissions with UAVs in the Presence of Multiple Eavesdroppers

Aly Sabri Abdalla, Vuk Marojevic|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 08.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 16인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 다수의 이동 사용자에 대해 비밀 에너지 효율성(SEE)을 최대화하기 위해 다중 사용자, 다중 도청자 환경에서 UAV 릴레이 위치와 업링크 전송 전력의 공동 최적화를 제안한다. 비볼록 완화 및 순차적 볼록 근사 기법을 사용해 UAV 항로와 사용자 전력 할당을 반복적으로 최적화함으로써, 기준 방법 대비 최대 50% 높은 SEE를 달성하며, 분산 도청자에 대비한 이동 다중 사용자 통신의 확장성과 효과성을 입증한다.

ABSTRACT

This paper discusses the problem of securing the transmissions of multiple ground users against eavesdropping attacks. We propose and optimize the deployment of a single unmanned aerial vehicle (UAV), which serves as an aerial relay between the user cluster and the base station. The focus is on maximizing the secrecy energy efficiency by jointly optimizing the uplink transmission powers of the ground users and the position of the UAV. The joint optimization problem is nonconvex; therefore we split it into two subproblems and solve them using an iterative algorithm.

연구 동기 및 목표

• 이동 다중 사용자에 대한 다중 도청 위협에 대비해 UAV를 천공 릴레이(AR)로 활용할 때의 확장성 격차를 해소하기 위해.
• 기지국으로부터 사용자 클러스터의 업링크 전송에서 비밀 에너지 효율성(SEE)을 최대화하기 위해.
• 실제 전력 및 이동 제약 조건 하에서 UAV 항로와 사용자 업링크 전송 전력을 공동으로 최적화하기 위해.
• 비볼록 공동 최적화 문제에 대해 근사 최적해에 수렴하는 반복 알고리즘을 개발하기 위해.
• 다양한 수의 사용자와 도청자에 걸쳐 제안된 방식의 확장성과 성능 향상을 검증하기 위해.

제안 방법

• 시간슬롯 라디오 프레임을 사용해 이동 지상 사용자, UAV 릴레이, 다수의 지상 도청자를 포함한 3차원 시나리오를 모델링한다.
• 사용자-UAV 링크에 대해 경로 손실 지수 2를 적용한 시각선(LoS) 공기-지상(A2G) 채널 모델을 사용하고, 지상-지상(G2G) 도청자 링크에는 지수 4를 적용한다.
• 비밀 용량을 정의하기 위해 정상적인 사용자 채널 용량과 모든 도청자 중 최대 가로채기 채널 용량의 차이를 사용한다.
• 슬랙 변수와 순차적 볼록 근사(ScA) 기법을 사용해 비볼록 SEE 최대화 문제를 해석 가능한 형태로 재구성한다.
• UAV 항로 업데이트와 전력 제어 최적화를 번갈아 적용하는 반복 알고리즘을 적용하여 국소 최적해에 수렴한다.
• 실현 가능성을 확보하기 위해 UAV 이동성(클러스터 반경 내), 평균 전력, 피크 전력 제약 조건을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 UAV 릴레이가 다중 도청 위협 하에서 다수의 이동 사용자에 대해 비밀 에너지 효율성(SEE)을 효과적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 고정 또는 히우리스틱 UAV 위치 전략에 비해 UAV 위치와 사용자 업링크 전력의 공동 최적화가 SEE에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 UAV 릴레이가 다수의 도청자에 대비해 하나, 두 개, 또는 네 개의 이동 사용자 클러스터를 보호하는 데 있어 확장성은 어떠한가?
• RQ4 실제 구현 환경에서 최대 전송 전력과 UAV 고도에 따라 SEE는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 도청을 억제하기 위해 경로 최적화가 고정 또는 선행/후행 UAV 위치 전략에 비해 어느 정도 뛰어난가?

주요 결과

• 제안된 UAV 항로 및 사용자 전력 제어의 공동 최적화로, 고위협 지역에서 UAV 릴레이 없이 기준 방법 대비 SEE가 거의 50% 향상된다.
• 1명, 2명, 4명의 이동 사용자 간 SEE 성능이 거의 동일하여 UAV 릴레이 솔루션의 강력한 확장성을 입증한다.
• 반복 알고리즘이 130회 이내에 수렴하며, UAV 고도 80m일 때 SEE는 10 bps/Hz/W, 4명의 사용자일 경우 160m일 때 8 bps/Hz/W를 달성한다.
• SEE는 최대 전송 전력 증가에 따라 급격히 증가하며 약 400mW에서 안정화됨을 보여, 높은 에너지 효율성을 위해 중간 수준의 전력 수준이 충분함을 시사한다.
• 고정된 선행/후행 UAV 위치 전략 및 변동형 선행/후행 전략보다 성능이 뛰어나, 동적 항로 최적화의 가치를 확인한다.
• UAV 고도가 80m, 120m, 160m일 때 성능 향상이 일관되게 유지되어 고도 변화에 대한 강건성을 보여준다.