[논문 리뷰] Terahertz-supported Untrusted UAV-Relaying: Secrecy Energy Efficiency Maximization via Trajectory and Communication Co-design.

Milad Tatar Mamaghani, Yi Hong|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 21.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 UAV 중계를 사용하는 타이어헤르츠 대역에서 신뢰할 수 없는 중계기와 함께 안전한 UAV 중계 시스템을 제안하며, 비밀성 에너지 효율성(SEE)을 극대화하기 위해 이중 단계 전송과 협동 잡음 기반 기법을 사용한다. 고도로 발전된 최적화 기법을 통해 궤도, 속도, 전력 할당 및 스케줄링을 공동 최적화함으로써 UAV의 전력 제약 조건 하에서 기준 대비 상당한 SEE 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) and Terahertz (THz) technology are envisioned to play paramount roles in next-generation wireless communications. Hence, this paper presents a novel secure UAV-assisted mobile relaying system operating at THz bands for data acquisition from multiple ground user equipments towards a destination. We assume that the UAV-mounted relay may act, besides providing relaying services, as a potential adversary called the untrusted UAV relay. To safeguard end-to-end communications, we present a secure two-phase transmission strategy with cooperative jamming. Then, we formulate an optimization problem in terms of a new measure $-$ secrecy energy efficiency (SEE), defined as the ratio of achievable average secrecy rate to average system power consumption, which enables us to obtain the best possible security level while taking UAV's inherent flight power limitation into account. This optimization problem leads to a joint design of key system parameters, including UAV's trajectory and velocity, communication scheduling, and power allocations. Since the formulated problem is a mixed-integer nonconvex optimization and computationally intractable, we propose alternative algorithms to solve it efficiently via greedy/sequential block coordinated descent, successive convex approximation, and non-linear fractional programming techniques. Numerical results demonstrate significant SEE performance improvement of our designs when compared to other known benchmarks.

연구 동기 및 목표

• UAV 중계기가 악의적인 대상이 될 수 있는 UAV 중계 시스템의 보안 취약성을 해결한다.
• 신뢰할 수 없는 UAV 중계기로부터의 도청을 방지하기 위해 협동 잡음을 포함한 이중 단계 전송 프로토콜을 설계한다.
• 시스템 전력 소비에 대한 평균 비밀 통신률의 비율로 정의된 비밀성 에너지 효율성(SEE)을 최대화하며, UAV 비행 전력 제약 조건을 엄격히 고려한다.
• 보안성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 UAV 궤도, 속도, 통신 스케줄링 및 전력 할당을 공동 최적화한다.
• 이 SEE 최대화 프레임워크에서 발생하는 계산적으로 해결하기 어려운 혼합정수비선형비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 효율적인 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 이중 단계 전송 전략 제안: 첫 번째 단계에서 소스가 UAV 중계기로 전송하고, 두 번째 단계에서 UAV는 데이터를 목적지로 전달하면서 임의의 노이즈를 동시에 전송하여 잠재적 도청자를 혼란스럽게 한다.
• 소스 및 목적지에서의 협동 잡음을 도입하여 도청 채널 용량을 저하시켜 비밀성 향상을 도모한다.
• UAV 이동성과 전력 제약 조건을 통합하여 혼합정수비선형비볼록 최적화 문제로 비밀성 에너지 효율성(SEE) 최대화 문제를 수립한다.
• 비볼록성을 다루기 위해 순차적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 적용하고, 분수형 SEE 목표함수를 해석 가능한 형태로 변환하기 위해 비선형 분수계획법을 활용한다.
• 궤도, 속도, 전력 할당 및 스케줄링 변수를 반복적으로 최적화하기 위해 탐욕형/순차적 블록 공동 강하 기법을 사용한다.
• UAV 이동 제약 조건(예: 최대 속도, 가속도 제한)과 전력 소비 모델을 최적화 프레임워크에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰할 수 없는 UAV 중계기가 존재하고 통신을 도청할 수 있는 상황에서, 어떻게 THz 대역 UAV 중계 시스템에서 비밀성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 실제 UAV 전력 제약 조건 하에서 비밀성 에너지 효율성(SEE)을 극대화하기 위해 UAV 궤도, 속도, 전력 할당 및 통신 스케줄링을 최적화하는 최적의 통합 설계는 무엇인가?
• RQ3 제안된 이중 단계 전송과 협동 잡음을 통한 설계는 기존의 잡음 없이 중계하는 전통적 중계 방식에 비해 비밀성 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 이 보안 UAV 중계 환경에서 발생하는 혼합정수비선형비볼록 SEE 최대화 문제를 해결하는 데 효과적인 최적화 기법은 무엇인가?
• RQ5 기존의 기준 기반 기법에 비해 제안된 공동 설계 프레임워크를 통해 얻을 수 있는 SEE 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 SEE 최대화 프레임워크는 기준 대비 상당한 성능 향상을 달성하며, 궤도, 전력, 스케줄링 최적화의 통합이 효과적임을 입증한다.
• 협동 잡음의 사용은 특히 고경로손실과 방향성 전송 특성이 두드러지는 THz 대역에서 도청 채널을 저하시켜 비밀 통신률을 크게 향상시킨다.
• 순차적 볼록 근사 및 비선형 분수계획법 기법은 SEE 문제의 비볼록성과 분수형 목표함수를 효과적으로 다루며, 고품질의 해에 수렴함을 보여준다.
• 탐욕형/순차적 블록 공동 강하 기법은 결합된 궤도, 속도 및 전력 할당 변수의 효율적 최적화를 가능하게 하여 계산 복잡도와 성능 간의 균형을 이룬다.
• 수치 결과는 제안된 설계가 특히 엄격한 UAV 전력 제약 조건 하에서 기존의 방법에 비해 SEE 성능에서 뛰어난 성능을 발휘함을 확인한다.
• 시스템은 단위 전력 소비당 더 높은 평균 비밀 통신률을 달성하여, 에너지 제약이 있는 UAV 네트워크에서 SEE가 성능 지표로서 유용함을 입증한다.