[論文レビュー] Secrecy Energy Efficiency Maximization for UAV-Enabled Mobile Relaying

Lin Xiao, Yu Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、潜在的な盗聴者を想定した無人航空機（UAV）駆動のモバイルリレーシステムにおいて、通信スケジューリング、電力割り当て、UAV軌道の共同最適化により、秘匿エネルギー効率（SEE）を最大化する手法を提案する。逐次凸近似（SCA）およびDinkelbachのアルゴリズムを適用することで、提案手法の反復的手法は、特に時間区間が延長するに従い、ベンチマーク比で最大12.27 kbits/JのSEE向上を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the secrecy energy efficiency (SEE) maximization problem for unmanned aerial vehicle enabled mobile relaying system, where a high-mobility UAV is exploited to assist delivering the confidential information from a ground source to a legitimate ground destination with the direct link blocked, in the presence of a potential eavesdropper. We aim to maximize SEE of the UAV by jointly optimizing the communication scheduling, power allocation, and UAV trajectory over a finite time horizon. The formulated problem is a mixed-integer non-convex optimization problem that is challenging to be solved optimally. To make the problem tractable, we decompose the problem into three subproblems, and propose an efficient iterative algorithm that alternately optimizes the subproblems. In addition, two special cases are considered as benchmarks in this paper. Simulation results show that the proposed design significantly improves the SEE of the UAV, as compared to the benchmarks

研究の動機と目的

• 直接リンクが遮断され、盗聴者が存在する可能性のあるUAV駆動モバイルリレーシステムにおける機密通信の確保という課題に対処すること。
• 時間区間が有限である条件下で、秘匿レートとUAVのエネルギー消費をバランスさせながら、秘匿エネルギー効率（SEE）を最大化すること。
• 移動制約（速度、加速度、初期・終点位置）を満たす条件下で、通信スケジューリング、送信電力割り当て、UAV軌道を共同最適化すること。
• SEE最大化問題の非凸的・混合整数性を解消するため、分解と反復最適化を用いること。
• 固定された直線軌道や軌道最適化なしのベンチマークと比較して、共同設計の優位性を示すこと。

提案手法

• UAVの速度、加速度、平均電力に関する制約を含む、混合整数非凸最適化問題としてSEE最大化問題を定式化する。
• 問題を3つの部分問題に分解する：スケジューリング、電力割り当て、軌道最適化。これらを反復的に解く。
• 非凸性を扱うために、軌道および電力部分問題に逐次凸近似（SCA）を適用する。
• 分数型のSEE最大化問題を解くために、Dinkelbachのアルゴリズムを用い、パrametric部分問題の系列に変換する。
• UAVがすでに収集した情報のみをフォワードすることを保証するため、情報因果関係制約を課す。
• 信頼性と安全性を確保するため、デコードアンドフォワード（DF）リレーリングを用いた時分割多重（TDD）プロトコルを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAV軌道、電力割り当て、通信スケジューリングの共同最適化は、モバイルリレーシステムにおける秘匿エネルギー効率にどのように寄与するか？
• RQ2 時間区間の長さが、SEE最大化における軌道最適化の性能向上に与える影響は何か？
• RQ3 固定または制約なしの軌道を用いたベンチマークと比較して、提案アルゴリズムのSEEはどのように異なるか？
• RQ4 UAVの速度および加速度制約下で、軌道設計は秘匿レートの向上にどの程度貢献するか？
• RQ5 情報因果関係制約は、共同最適化フレームワークの実行可能性および性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案された共同設計により、100秒の時間区間で秘匿エネルギー効率（SEE）が12.27 kbits/Jに達し、ベンチマークを著しく上回る。
• SEEは時間区間が延長するに従い向上し、T=300sでは、本手法が11.08 kbits/Jを達成した一方、DCF/wo設計では6.31 kbits/J、SF/w設計では1.30 kbits/Jにとどまった。
• T=300sでは、平均送信源電力が一定の点まで増加するとSEEが向上するが、その後、リレーエネルギーの制限により中継能力がボトルネックとなる。
• 時間区間が延長するに従い、軌道最適化がSEE向上において主導的役割を果たし、UAVが送信元および受信元の近くで「8」の字型のパターンで滞空することで最適な秘匿性が実現される。
• UAVはS2R（送信元→リレータ）とR2D（リレータ→受信元）のフェーズを交互に切り替え、チャンネル状態と盗聴者への接近度に応じて最適な切り替えが行われる。
• 情報因果関係制約は、時間区間の終了時に等号で満たされており、提案されたスケジューリングおよびフォワーディング論理の正しさが裏付けられる。