[論文レビュー] Low-Complexity Joint Power Allocation and Trajectory Design for UAV-Enabled Secure Communications with Power Splitting

Kaidi Xu, Minjian Zhao+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 33被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、電力分割を用いた無人航空機（UAV）を用いたセキュア通信における、トラジェクトリとパワー割り当てのための低複雑性反復アルゴリズムを提案する。UAVは送信パワーを機密メッセージと人工ノイズの間で分割し、スニフェージングレートを最大化する。本手法はブロック座標降下（BCD）、CCCP、ADMMを組み合わせ、計算コストを低く抑えながら近似閉形式解を達成する。移動性とパワー制約下でも、セキュリティ性能が顕著に向上する。

ABSTRACT

An unmanned aerial vehicle (UAV)-aided secure communication system is conceived and investigated, where the UAV transmits legitimate information to a ground user in the presence of an eavesdropper (Eve). To guarantee the security, the UAV employs a power splitting approach, where its transmit power can be divided into two parts for transmitting confidential messages and artificial noise (AN), respectively. We aim to maximize the average secrecy rate by jointly optimizing the UAV's trajectory, the transmit power levels and the corresponding power splitting ratios allocated to different time slots during the whole flight time, subject to both the maximum UAV speed constraint, the total mobility energy constraint, the total transmit power constraint, and other related constraints. To efficiently tackle this non-convex optimization problem, we propose an iterative algorithm by blending the benefits of the block coordinate descent (BCD) method, the concave-convex procedure (CCCP) and the alternating direction method of multipliers (ADMM). Specially, we show that the proposed algorithm exhibits very low computational complexity and each of its updating steps can be formulated in a nearly closed form. Our simulation results validate the efficiency of the proposed algorithm.

研究の動機と目的

• 実用的制約下におけるUAVを用いたセキュア通信における平均スニフェージングレートを最大化すること。
• UAVのトラジェクトリ、送信パワー割り当て、時間的パワー分割比を同時に最適化すること。
• 移動性、エネルギー、パワー制約下におけるトラジェクトリとパワー割り当ての共同最適化から生じる高次元非凸最適化問題に対処すること。
• 実用的な展開を可能にする低複雑性アルゴリズムの開発。

提案手法

• アルゴリズムはブロック座標降下（BCD）を用い、トラジェクトリ、パワー割り当て、パワー分割比を反復的に最適化する。
• スニフェージングレート最大化問題における非凸性を扱うために、凹凸凸法（CCCP）を適用する。
• 問題を扱いやすい部分問題に分解するため、交替方向乗数法（ADMM）を用いる。各部分問題は近似閉形式解を得る。
• 各部分問題は双対分解とラグランジュ緩和を用いて解かれ、計算が効率的に行われる。
• UAV速度、総推進エネルギー、送信パワーの制約を維持しながら、変数を反復的に更新することで収束を保証する。
• カシュ・クーン・タッカー（KKT）条件と双対変数の更新を用いて、各変数の最適解を解析的に導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴が存在する状況下で、1台のUAVが正当なユーザーに通信するUAV支援通信システムにおけるスニフェージングレートをどのように最大化できるか？
• RQ2 物理層セキュリティを強化するために、UAVのトラジェクトリ、送信パワー、パワー分割比を最適に統合設計する方法は何か？
• RQ3 低計算コストで効率的に非凸最適化問題を解く方法は何か？
• RQ4 移動性とエネルギー制約が、UAVベースのセキュアシステムにおける達成可能なスニフェージングレートに与える影響は何か？
• RQ5 提案されたアルゴリズムは、高い性能と収束性を維持しながら、近似閉形式解を達成できるか？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、ベースライン手法と比較して平均スニフェージングレートが顕著に向上し、特に高移動性環境下で顕著な改善を示す。
• 各反復で、すべての部分問題に対して近似閉形式解が用いられているため、収束が著しく速い。
• BCD、CCCP、ADMMを活用することで、計算複雑度が大幅に低減され、リアルタイム実装が可能になる。
• 最大UAV速度、総推進エネルギー、総送信パワーといった制約すべてを満たす解を維持する。
• シミュレーション結果から、トラジェクトリとパワー割り当ての共同最適化が、個別最適化や固定パワー分割方式を上回ることを確認した。
• 不完全なチャネル状態情報に対してもロバストであり、盗聴者の位置に不確実性がある状況でも良好な性能を発揮する。