[论文解读] Intelligent Reflecting Surface Aided Secure UAV Communications

Wen Wang, Hui Tian+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用 21

一句话总结

本文提出了一种新颖的框架，通过联合优化无人机轨迹、发射功率和智能反射面（IRS）相位移，以提升无人机通信中的物理层安全性，从而最大化保密速率。利用分数规划和连续凸逼近方法，该框架设计了一种低复杂度的交替算法，实现了发射功率和相位移的闭式解，显著优于基准方案的保密性能。

ABSTRACT

In this letter, we study the secure communication problem in the unmanned aerial vehicle (UAV) enabled networks aided by an intelligent reflecting surface (IRS) from the physical-layer security perspective. Specifically, the IRS is deployed to assist the wireless transmission from the UAV to the ground user in the presence of an eavesdropper. The objective of this work is to maximize the secrecy rate by jointly optimizing the phase shifts at the IRS as well as the transmit power and location of the UAV. However, the formulated problem is difficult to solve directly due to the non-linear and non-convex objective function and constraints. By invoking fractional programming and successive convex approximation techniques, the original problem is decomposed into three subproblems, which are then transformed into convex ones. Next, a low-complexity alternating algorithm is proposed to solve the challenging non-convex problem effectively, where the closed-form expressions for transmit power and phase shifts are obtained at each iteration. Simulations results demonstrate that the designed algorithm for IRS-aided UAV communications can achieve higher secrecy rate than benchmarks.

研究动机与目标

• 解决无人机网络中窃听者可利用视 Line-of-Sight（LoS）链路带来的物理层安全挑战。
• 将智能反射面（IRS）集成到无人机通信系统中，构建可控的无线环境以提升保密性。
• 在非凸和非线性约束下，联合优化无人机发射功率、位置和IRS相位移，以最大化保密速率。
• 设计一种低复杂度算法，能够高效收敛至高质量解，以应对具有挑战性的非凸问题。
• 通过在不同系统参数下的数值仿真，验证所提方案的性能增益。

提出的方法

• 构建一个涉及无人机轨迹、发射功率和IRS相位移的非凸保密速率最大化问题。
• 应用分数规划方法，将基于比率的保密速率转化为更易处理的形式。
• 采用连续凸逼近（SCA）方法，将非凸问题迭代地转化为可处理的子问题。
• 将原始问题分解为三个子问题：发射波束成形、IRS相位移优化和无人机位置/功率优化。
• 在每次迭代中推导出发射功率和相位移的闭式解，以降低计算复杂度。
• 提出一种交替算法，迭代优化无人机位置、功率和IRS相位移，并保证收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用IRS增强无人机-IRS融合网络中的物理层安全性？
• RQ2 如何实现无人机轨迹、发射功率和IRS相位移的最优联合设计以最大化保密速率？
• RQ3 所提出的算法在保密速率和复杂度方面相较于基准方案有何表现？
• RQ4 关键系统参数（如IRS尺寸和IRS-用户距离）对保密性能有何影响？
• RQ5 能否通过闭式解和低复杂度方法有效求解非凸保密速率最大化问题？

主要发现

• 所提算法的保密速率高于基准方案，证明了IRS在提升无人机安全性能方面的有效性。
• 随着IRS反射单元数量的增加，保密速率提升，表明更大IRS孔径具有优势。
• 将IRS最优部署在靠近合法用户的位置可获得更高的保密速率，凸显了IRS部署位置的重要性。
• 最大发射功率对保密速率有显著影响，且在高功率水平下性能趋于饱和。
• 由于每一步均采用闭式解，算法收敛迅速，确保了低计算复杂度。
• 数值结果证实，联合优化无人机移动性、功率和IRS相位移优于单独优化或固定参数的设计方案。