[论文解读] Energy-Efficient Resource Allocation for Secure UAV Communication Systems

Yuanxin Cai, Zhiqiang Wei+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出了一种联合优化发射功率、用户调度、轨迹和速度的方法，以实现具有潜在窃听者的能量高效、安全的无人机-正交频 division 多址（UAV-OFDMA）系统。通过使用迭代算法求解在窃听者位置不确定和安全约束下的非凸问题，该方案在高瞬时功率和大窃听者不确定性区域条件下，显著优于基准的直线飞行方案，能效更高。

ABSTRACT

In this paper, we study the resource allocation and trajectory design for energy-efficient secure unmanned aerial vehicle (UAV) communication systems where a UAV base station serves multiple legitimate ground users in the existence of a potential eavesdropper. We aim to maximize the energy efficiency of the UAV by jointly optimizing its transmit power, user scheduling, trajectory, and velocity. The design is formulated as a non-convex optimization problem taking into account the maximum tolerable signal-to-noise ratio (SNR) leakage, the minimum data rate requirement of each user, and the location uncertainty of the eavesdropper. An iterative algorithm is proposed to obtain an efficient suboptimal solution. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm can achieve a significant improvement of the system energy efficiency while satisfying communication security constraint, compared to some simple scheme adopting straight flight trajectory with a constant speed.

研究动机与目标

• 解决多用户无人机-OFDMA系统中在窃听者位置不确定时缺乏联合能效与安全优化的问题。
• 制定一个非凸优化问题，以在保密速率和数据速率约束下最大化系统能效。
• 设计一种次优的迭代算法，联合优化无人机轨迹、速度、发射功率和用户调度。
• 通过限制潜在窃听者在不确定区域内的信号泄漏，确保通信安全。
• 通过采用恒定速度、直线飞行轨迹的无人机飞行方式，提升系统性能，超越基准方案。

提出的方法

• 建立无人机-OFDMA系统模型，包括恒定高度、多个地面用户，以及位于不确定区域内的潜在窃听者。
• 将能效最大化问题建模为一个非凸优化问题，约束条件包括最小用户数据速率、最大窃听者信噪比泄漏，以及无人机移动性。
• 采用基于连续凸逼近（Successive Convex Approximation, SCA）的迭代算法，对非凸问题进行分解并次优求解。
• 自适应地优化无人机轨迹和速度，以避开高窃听风险区域，同时为合法用户保持高数据速率。
• 将功率分配和用户调度整合到优化过程中，以平衡能效与安全性。
• 采用基于惩罚的方法处理保密速率约束的非凸性，确保算法收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有多个合法用户和单个窃听者的安全无人机-OFDMA系统中，如何最大化能效？
• RQ2 窃听者位置的不确定性对系统设计和性能有何影响？
• RQ3 与恒定速度、直线飞行相比，自适应无人机速度和轨迹设计如何提升能效？
• RQ4 在不同峰值发射功率和窃听者不确定性条件下，能效、数据速率与安全性之间的权衡关系如何？
• RQ5 联合优化功率、调度、轨迹和速度是否能超越采用固定飞行轨迹的基准方案？

主要发现

• 所提出的算法在能效方面显著优于采用恒定速度直线飞行轨迹的基准方案。
• 随着峰值发射功率的增加，能效提升，尤其在窃听者不确定区域较大的情况下更为明显。
• 当窃听者不确定区域较小时（例如半径100 m），在低峰值功率（0.01 W）时系统能效保持不变，表明性能受限于功率而非安全约束。
• 当窃听者不确定区域较大时（例如半径400 m），无人机优先以低发射功率快速穿越该区域，以减少信号泄漏。
• 无人机自适应调节速度：远离用户时飞行更快，靠近用户时飞行更慢，以最大化数据速率和能效。
• 该算法收敛迅速，展示了在安全无人机通信系统中实时部署的实际可行性。