[论文解读] Optimal Transmit Power and Flying Location for UAV Covert Wireless Communications

Shihao Yan, Stephen V. Hanly+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 31被引用 7

一句话总结

本文提出了一种联合优化无人机发射功率与飞行位置的方法，以在确保不被监视区域内的守卫（Willie）检测到的前提下，最大化对合法地面对接收机的通信质量。针对一种关键的约束组合，推导出了显式解，并表明最优二维位置通常可通过一维搜索获得，从而在某些场景下显著优于启发式方法。

ABSTRACT

This paper jointly optimizes the flying location and wireless communication transmit power for an unmanned aerial vehicle (UAV) conducting covert operations. This is motivated by application scenarios such as military ground surveillance from airborne platforms, where it is vital for a UAV's signal transmission to be undetectable by those within the surveillance region. Specifically, we maximize the communication quality to a legitimate ground receiver outside the surveillance region, subject to: a covertness constraint, a maximum transmit power constraint, and a physical location constraint determined by the required surveillance quality. We provide an explicit solution to the optimization problem for one of the most practical constraint combinations. For other constraint combinations, we determine feasible regions for flight, that can then be searched to establish the UAV's optimal location. In many cases, the 2-dimensional optimal location is achieved by a 1-dimensional search. We discuss two heuristic approaches to UAV placement, and show that in some cases they are able to achieve close to optimal, but that in other cases significant gains can be achieved by employing our developed solutions.

研究动机与目标

• 在无人机隐蔽无线通信中，最大化对合法地面对接收机的通信质量。
• 确保无人机的传输不被监视区域内的守卫（Willie）检测到。
• 满足实际约束：最大发射功率、到Willie的最小距离，以及用于监视质量的最小视角。
• 在上述约束下，联合优化无人机飞行位置（距离与角度）与发射功率。
• 为不同约束组合提供最优无人机部署的显式解与可行搜索区域。

提出的方法

• 建立一个约束优化问题，旨在最大化合法接收机（Bob）处的信干噪比（SINR），同时满足隐蔽性、功率和几何约束。
• 针对一种关键约束组合，利用Willie检测误码率的解析表达式，推导出最优发射功率与位置的闭式解。
• 引入函数 $ \bar{g}(\theta_w) $，通过求解 $ \partial f / \partial \theta_w = 0 $ 确定最优角度 $ \theta_w $，该函数与Willie的检测性能相关。
• 证明最优角度位于 $ [0, \arccos(d_w/L)] $ 区间内，并通过关键函数的单调性分析，证明解的唯一性。
• 对于其他约束组合，定义了无人机位置的可行二维区域，可高效搜索，从而在许多情况下将问题简化为一维搜索。
• 将所提方法与两种启发式无人机位置策略进行比较，通过数值评估验证性能增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在保持对守卫（Willie）不可检测的前提下，使合法地面对接收机的通信质量最大化的无人机发射功率与飞行位置的最优组合是什么？
• RQ2 与启发式位置策略相比，无人机位置与功率的联合优化如何提升隐蔽通信性能？
• RQ3 在何种约束组合下，可通过一维搜索找到最优二维无人机位置？何时需要完整的二维搜索？
• RQ4 隐蔽性约束的解析结构是什么？它如何影响无人机部署的可行区域？
• RQ5 无人机相对于守卫的距离与角度如何影响通信质量与隐蔽性之间的权衡？

主要发现

• 针对一种关键约束组合，推导出最优发射功率与无人机位置的显式闭式解，可直接计算。
• 最优角度 $ \theta_w $ 位于 $ [0, \arccos(d_w/L)] $ 区间内，且由于关键函数 $ \bar{g}(\theta_w) $ 的单调性，解具有唯一性。
• 在许多实际情况下，可通过在角度 $ \theta_w $ 上进行一维搜索找到最优二维无人机位置，显著降低计算复杂度。
• 启发式无人机位置策略在某些场景下可达到近似最优性能，但在其他场景下可能造成显著性能损失，凸显了所提解析解的价值。
• 所提方法确保无人机不被Willie检测到，同时最大化Bob处的SINR，满足所有物理与操作约束。
• 分析结果表明，无人机必须与Willie保持最小距离与最小视角，以平衡监视质量与隐蔽性，最优点位于可行区域的边界上。