[논문 리뷰] Securing UAV Communications via Joint Trajectory and Power Control

Guangchi Zhang, Qingqing Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 20.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 37인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 드론 이동성을 활용하여 가로채기 채널을 악화시켜 물리계층 보안을 향상시키기 위해 유닛 이동성 기반의 공동 궤적 및 전력 제어 프레임워크를 제안한다. 블록 좌표 강하법과 순차적 볼록 최적화를 사용하여, U2G 및 G2U 링크에서의 기밀성 비율을 최대화하며, 시뮬레이션 결과 유의미한 성능 향상이 나타났다—특히 U2G에서 더 두드러진데, 이는 궤적 최적화가 G2U에서 전력 제어가 지배하는 것과는 대조적으로 더 효과적임을 시사한다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicle (UAV) communication is anticipated to be widely applied in the forthcoming fifth-generation (5G) wireless networks, due to its many advantages such as low cost, high mobility, and on-demand deployment. However, the broadcast and line-of-sight (LoS) nature of air-to-ground wireless channels gives rise to a new challenge on how to realize secure UAV communications with the destined nodes on the ground. This paper aims to tackle this challenge by applying the physical layer security technique. We consider both the downlink and uplink UAV communications with a ground node, namely UAV-to-ground (U2G) and ground-to-UAV (G2U) communications, respectively, subject to a potential eavesdropper on the ground. In contrast to the existing literature on wireless physical layer security only with ground nodes at fixed or quasi-static locations, we exploit the high mobility of the UAV to proactively establish favorable and degraded channels for the legitimate and eavesdropping links, respectively, via its trajectory design. We formulate new problems to maximize the average secrecy rates of the U2G and G2U transmissions, respectively, by jointly optimizing the UAV's trajectory and the transmit power of the legitimate transmitter over a given flight period of the UAV. Although the formulated problems are non-convex, we propose iterative algorithms to solve them efficiently by applying the block coordinate descent and successive convex optimization methods. Specifically, the transmit power and UAV trajectory are each optimized with the other being fixed in an alternating manner, until the algorithms converge. Simulation results show that the proposed algorithms can improve the secrecy rates for both U2G and G2U communications, as compared to other benchmark schemes without power control and/or trajectory optimization.

연구 동기 및 목표

• 지상 기반 가로취체자로부터 5G 네트워크 내 드론-지상(U2G) 및 지상-드론(G2U) 통신을 보호하는 도전 과제를 해결한다.
• 고정 또는 준정적 노드를 가정하는 기존 물리계층 보안 연구의 한계를 극복하기 위해 드론 이동성을 활용하여 채널 품질을 조절한다.
• 드론 궤적과 전송 전력의 공동 최적화를 통해 U2G 및 G2U 시나리오에서 평균 기밀성 비율을 최대화한다.
• 평균 및 최대 전력 제약과 드론 이동성 동역학을 포함한 실용적 제약 조건을 고려한다.
• 공동 궤적 및 전력 제어 설계에서 발생하는 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위한 반복적 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 전력 및 이동성 제약 하에 U2G 및 G2U 통신에서 평균 기밀성 비율을 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 고정된 전력 하에서 드론 궤적을, 고정된 궤적 하에서 전송 전력을 번갈아 최적화함으로써 블록 좌표 강하법을 적용한다.
• 순차적 볼록 최적화를 사용하여 비볼록 하위문제를 효율적으로 해결할 수 있는 볼록 형태로 근사한다.
• 궤적 및 전력 제어 변수를 반복적으로 개선하여 최적 또는 근사 최적 해에 도달할 때까지 수렴을 보장한다.
• 최대 속도 및 가속도와 같은 실용적 드론 이동성 제약 조건을 궤적 설계에 통합한다.
• 제안된 알고리즘을 기준선과 비교한다: 히우리스틱 최선의 노력 궤적(BET), 전력 제어 전용, 궤적 최적화 전용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 방법과 비교해 볼 때, 공동 궤적 및 전력 제어는 드론 기반 U2G 및 G2U 통신에서 기밀성 비율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 U2G 및 G2U 시나리오에서 물리계층 보안을 향상시키는 데 있어 드론 궤적 최적화와 전송 전력 제어의 상대적 기여는 각각 얼마인가?
• RQ3 드론의 이동성을 활용하여 도청 채널을 능동적으로 악화시키면서도 정상 통신 링크는 강화시킬 수 있는가?
• RQ4 비행 지속 시간과 평균 전송 전력은 공동 최적화의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 BET와 같은 히우리스틱 설계와 비교해 볼 때, 제안된 알고리즘이 최적 궤적에 얼마나 수렴하는가?

주요 결과

• 공동 궤적 및 전력 제어는 최적화 없이 비교한 기준선 대비 U2G 및 G2U 통신에서 기밀성 비율을 크게 향상시킨다.
• U2G 시나리오에서는 궤적 최적화가 G2U보다 더 큰 성능 향상을 제공한다. 드론의 이동이 정상 통신과 도청 채널 모두에 영향을 주기 때문이다.
• G2U 시나리오에서는 특히 저전력 수준(예: -5 dBm)에서 전력 제어가 궤적 최적화보다 더 효과적이며, 이는 기밀성 비율 향상에서 더 큰 기여를 한다.
• 비행 지속 시간 T ≥ 600 s일 경우, 최적화된 궤적이 히우리스틱 BEST-EFFORT TRAJECTORY(BET) 설계로 수렴한다. 이는 드론이 지상 노드 위로 직접 비행하여 업링크 비율을 최대화하기 때문이다.
• 고전력 수준(예: ≥10 dBm)에서는 최적화된 알고리즘과 기준선 알고리즘 간의 기밀성 비율 격차가 줄어들며, 전력 제어가 추가로 얻는 이득이 미미하기 때문이다.
• T = 405 s일 경우, 제안된 T-OPT-With-PC 알고리즘이 BET 기반 기준선을 능가한다. 이는 비행 시간이 제한되어 있음에도 불구하고 궤적 차이가 공동 최적화의 가치를 입증하기 때문이다.