[논문 리뷰] Securing UAV Communications Via Trajectory Optimization

Guangchi Zhang, Qingqing Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 12.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 13인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 드론 기반 물리계층 보안 통신에서 비밀 통신률을 최대화하기 위해 공동 궤적 및 전력 제어 최적화 프레임워크를 제안한다. 정상 수신자 및 도청자 노드에 대한 링크 품질을 드론 이동성을 활용해 동적으로 조정하고, 순차적 볼록 최적화를 적용한 블록 좌표 강하법을 사용함으로써, 특히 저전력 및 제한된 비행 시간 조건에서 기준 대비 훨씬 높은 비밀 통신률을 달성한다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicle (UAV) communications has drawn significant interest recently due to many advantages such as low cost, high mobility, and on-demand deployment. This paper addresses the issue of physical-layer security in a UAV communication system, where a UAV sends confidential information to a legitimate receiver in the presence of a potential eavesdropper which are both on the ground. We aim to maximize the secrecy rate of the system by jointly optimizing the UAV's trajectory and transmit power over a finite horizon. In contrast to the existing literature on wireless security with static nodes, we exploit the mobility of the UAV in this paper to enhance the secrecy rate via a new trajectory design. Although the formulated problem is non-convex and challenging to solve, we propose an iterative algorithm to solve the problem efficiently, based on the block coordinate descent and successive convex optimization methods. Specifically, the UAV's transmit power and trajectory are each optimized with the other fixed in an alternating manner until convergence. Numerical results show that the proposed algorithm significantly improves the secrecy rate of the UAV communication system, as compared to benchmark schemes without transmit power control or trajectory optimization.

연구 동기 및 목표

• 도청이 위협이 되는 드론-지상 통신에서 물리계층 보안 문제를 다루기 위해.
• 경로 손실과 도청자 CSI 미확보로 인해 비밀 통신률이 제한되는 고정 노드 시스템의 한계를 극복하기 위해.
• 유한한 비행 기간 동안 평균 비밀 통신률을 최대화하기 위해 드론 이동성과 전송 전력 제어를 활용하기 위해.
• 실제 이동성 및 전력 제약 조건 하에서 드론 궤적과 전송 전력을 공동 최적화하기 위해.

제안 방법

• 비볼록 최적화 문제를 수립하여 공동 드론 궤적 및 전송 전력 설계를 통해 비밀 통신률을 최대화한다.
• 블록 좌표 강하법 적용: 고정된 전력에서 궤적을, 고정된 궤적에서 전력을 번갈아 최적화한다.
• 순차적 볼록 최적화를 사용하여 비볼록 하위문제를 반복적으로 볼록 문제로 근사한다.
• 라인오브사이트(LoS) 채널 모델 기반 궤적 최적화를 구현하며, 드론이 지상 도청자를 탐지하고 추적할 수 있다고 가정한다.
• 평균 및 최대 전력 제약 조건과 드론 이동 제약 조건(최대 속도, 비행 시간)을 통합한다.
• 수렴 보장이 보장된 반복 알고리즘을 통해 문제를 해결하고 국소 최적해에 수렴한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 도청자가 존재하는 상황에서 드론 이동성을 활용하여 물리계층 비밀 통신률을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 궤적 최적화와 전력 제어를 공동으로 적용한 경우, 단일 최적화 방법에 비해 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 비행 시간과 전송 전력이 비밀 통신률 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 도청자가 정상 수신자보다 가까운 경우, 궤적 설계가 열악한 채널 조건을 어떻게 극복하는가?
• RQ5 전송기에서 도청자 CSI가 필요 없이도 제안된 알고리즘이 상당한 비밀 통신률 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 공동 궤적 및 전력 제어(이하 TO w/ PC) 알고리즘은 모든 테스트 비행 시간 및 전력 수준에서 가장 높은 비밀 통신률을 달성한다.
• 평균 전송 전력이 낮을 경우(≤−5 dBm), 전력 제어가 궤적 최적화보다 더 큰 비밀 통신률 향상을 제공하므로, '선 w/ PC'는 'TO w/ PC'와 거의 동일한 성능을 발휘한다.
• 평균 전송 전력이 증가함에 따라 궤적 최적화의 효과가 더 두드러지며, 'TO w/o PC'는 'TO w/ PC'의 성능에 가까워진다.
• 비행 시간 T가 길어질수록 최적 위치에서의 정지 비행 시간이 연장되어 비밀 통신률이 증가한다. 이는 드론이 정상 수신자에 가까이 있고 도청자에서 멀리 떨어져 있을 때 발생한다.
• T = 250 s일 경우, 드론은 전략적 정지 지점으로 최대 속도로 이동한 후 복귀한다. 이는 최적의 정지 위치가 비밀 통신률을 최대화함을 확인한다.
• 알고리즘이 10~15회 반복 내에 수렴함으로써 계산 효율성과 실용적 타당성이 입증된다.