[논문 리뷰] UAV-Enabled Cooperative Jamming for Improving Secrecy of Ground Wiretap Channel

An Li, Qingqing Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 21.

Wireless Communication Security Techniques참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 UAV를 활용한 이동형 잡음 방식을 제안하여, 블록 좌표 강하와 순차적 볼록 최적화를 통해 UAV의 항로와 잡음 전력의 공동 최적화를 통해 지상 탈취 채널에서 비밀성 전송률을 향상시킨다. UAV 이동성과 LOS 채널의 이점을 활용하여 효과적이고 적응형 잡음을 구현함으로써 기준 대비 뚜렷한 비밀성 전송률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This letter proposes a novel UAV-enabled mobile jamming scheme to improve the secrecy rate of ground wiretap channel. Specifically, a UAV is employed to transmit jamming signals to combat against eavesdropping. Such a mobile jamming scheme is particularly appealing since the UAV-enabled jammer can fly close to the eavesdropper and opportunistically jam it by leveraging the UAV's mobility. We aim to maximize the average secrecy rate by jointly optimizing the UAV's trajectory and jamming power over a given flight period. To make the problem more tractable, we drive a closed-form lower bound for the achievable secrecy rate, based on which the UAV's trajectory and transmit power are optimized alternately by an efficient iterative algorithm applying the block coordinate descent and successive convex optimization techniques. Simulation results demonstrate that the proposed joint design can significantly enhance the secrecy rate of the considered wiretap system as compared to benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 고정된 잡음 장치가 탈취자로부터 떨어져 있을 경우 효과가 떨어지고 정확한 CSI가 필요로 하는 정적 협동 잡음의 한계를 해결하기 위해.
• UAV 이동성과 LOS 지상-공중 채널의 이점을 활용하여 탈취를 악화시키면서도 정상 수신자에 대한 간섭을 최소화하는 기회적 잡음을 가능하게 하기 위해.
• 이동성, 평균 및 최대 전력 제한 등의 실용적 제약 조건 하에서 평균 비밀성 전송률을 극대화하기 위해 UAV 항로와 잡음 전력을 공동 최적화하기 위해.
• 불완전한 CSI와 fading을 고려하기 위해 비밀성 전송률의 닫힌 형태 하한을 사용하여 해석 가능한 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 유한한 비행 기간 동안 실현 가능한 비밀성 전송률의 닫힌 형태 하한을 극대화하기 위한 항로 및 전력 제어 문제를 수립한다.
• 블록 좌표 강하를 적용하여 UAV 항로와 잡음 전력을 번갈아 최적화함으로써 비볼록 문제를 해석 가능한 부분 문제로 분해한다.
• 순차적 볼록 최적화를 사용하여 비볼록 부분 문제를 반복적으로 근사 및 해석함으로써 수렴성을 확보하고 고품질의 해를 확보한다.
• 실용적 제약 조건을 적용: UAV 이동성(속도 및 거리 제한), 송신기 및 UAV의 평균 및 최대 전력 제한.
• 비행 기간을 N개의 시간 슬롯으로 이산화하여 UAV의 3차원 항로를 일정 고도 H에서의 수평 위치 시퀀스로 모델링한다.
• LOS UAV-탈취자 링크에 거리 기반의 경로 손실 모델을 사용하여 정확하고 CSI가 없는 잡음 전력 추정이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 이동성을 활용하여 거리 기반의 동적 잡음을 가능하게 함으로써 지상 탈취 채널에서 비밀성 전송률을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 UAV 항로와 잡음 전력의 공동 최적화는 별도 또는 고정된 설계 대비 비밀성 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 실용적인 이동 잡음 환경에서 UAV 이동성 제약과 전력 제한은 실현 가능한 비밀성 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전력 제어 없거나 부분 최적화된 항로를 사용하는 기준 대비 제안된 방법은 어떻게 성능을 내는가?
• RQ5 불완전한 CSI 하에서도 효율적인 최적화를 가능하게 하기 위해 비밀성 전송률의 닫힌 형태 하한을 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 공동 항로 및 전력 제어(J-T&P) 방식은 모든 테스트 비행 시간 동안 가장 높은 비밀성 전송률을 달성하며, 기준 및 잡음 미사용 케이스를 크게 능가한다.
• 전력 제어가 없는 기준 방식(T/NP)은 잡음 미사용 케이스(NJ)보다 낮은 비밀성 전송률을 기록하여 최적화되지 않은 잡음이 성능을 악화시킬 수 있음을 보여준다.
• 비행 시간 T가 증가함에 따라 J-T&P에서 UAV 항로가 더 적응적으로 변형되어 직선 경로에서 벗어나 최적의 잡음 위치 근처에서 정지하는 경향을 보이며, 수신자에 대한 간섭을 감소시킨다.
• T = 200 s일 경우(최대 속도로 출발지에서 도착지까지 도달하는 데 필요한 최소 시간), 모든 방식에서 동일한 항로를 보이지만, T가 증가함에 따라 최적화의 이점이 두드러진다.
• 선분 경로(_LT/P)는 가장 짧은 이동 시간을 기록하지만, 적응형 전력 제어가 없기 때문에 성능이 열악하여 공동 설계의 필요성을 강조한다.
• 수치적 결과는 UAV 항로와 전송 전력의 공동 최적화가 비밀성 전송률 극대화에 필수적이며, 비행 시간이 길수록 위치 최적화가 가능해짐에 따라 성능 향상이 증가함을 확인한다.