[論文レビュー] Securing UAV Communications via Joint Trajectory and Power Control

Guangchi Zhang, Qingqing Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 37被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、UAVの移動性を活用して盗聴者チャネルを劣化させることで、UAV通信における物理層セキュリティを向上させるための、共同トラジェクトリとパワー制御フレームワークを提案する。ブロック座標降下法と逐次凸最適化を用い、U2GおよびG2Uリンクにおけるスニフェージングレートを最大化する。シミュレーションでは顕著な向上が得られ、特にU2Gにおいて顕著である。U2Gではトラジェクトリ最適化がより効果的である一方、G2Uではパワー制御が性能向上の主因となる。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicle (UAV) communication is anticipated to be widely applied in the forthcoming fifth-generation (5G) wireless networks, due to its many advantages such as low cost, high mobility, and on-demand deployment. However, the broadcast and line-of-sight (LoS) nature of air-to-ground wireless channels gives rise to a new challenge on how to realize secure UAV communications with the destined nodes on the ground. This paper aims to tackle this challenge by applying the physical layer security technique. We consider both the downlink and uplink UAV communications with a ground node, namely UAV-to-ground (U2G) and ground-to-UAV (G2U) communications, respectively, subject to a potential eavesdropper on the ground. In contrast to the existing literature on wireless physical layer security only with ground nodes at fixed or quasi-static locations, we exploit the high mobility of the UAV to proactively establish favorable and degraded channels for the legitimate and eavesdropping links, respectively, via its trajectory design. We formulate new problems to maximize the average secrecy rates of the U2G and G2U transmissions, respectively, by jointly optimizing the UAV's trajectory and the transmit power of the legitimate transmitter over a given flight period of the UAV. Although the formulated problems are non-convex, we propose iterative algorithms to solve them efficiently by applying the block coordinate descent and successive convex optimization methods. Specifically, the transmit power and UAV trajectory are each optimized with the other being fixed in an alternating manner, until the algorithms converge. Simulation results show that the proposed algorithms can improve the secrecy rates for both U2G and G2U communications, as compared to other benchmark schemes without power control and/or trajectory optimization.

研究の動機と目的

• 地上の盗聴者に対する5GネットワークにおけるUAVから地上（U2G）および地上からUAV（G2U）への通信をセキュアに保つ課題に対処する。
• 従来の物理層セキュリティ手法が固定または準静的ノードを仮定しているのを補い、UAVの移動性を活用してチャネル品質を制御する。
• UAVトラジェクトリと送信パワーの共同最適化を通じて、U2GおよびG2Uの両状況における平均スニフェージングレートを最大化する。
• 平均およびピークパワー制限およびUAVの移動動力学的制約といった実用的制約を考慮する。
• 非凸最適化問題を効率的に解くための反復的アルゴリズムを開発する。

提案手法

• パワー制限および移動性制約下で、U2GおよびG2U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非凸最適化問題を定式化する。
• 固定パワー下でのUAVトラジェクトリ最適化と固定トラジェクトリ下での送信パワー最適化を交互に繰り返すブロック座標降下法を適用する。
• 逐次凸最適化を用いて、非凸部分問題を凸形式に近似し、各反復で効率的な解を得る。
• トラジェクトリおよびパワー制御変数の反復的改善により収束を確保し、最適または近似的最適解に到達する。
• UAVの最大速度および加速度といった実用的移動制約をトラジェクトリ設計に統合する。
• 提案アルゴリズムを、ヒューリスティック最良努力トラジェクチャ（BET）、パワー制御のみ、トラジェクチャ最適化のみのベンチマークと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共同トラジェクチャとパワー制御は、従来手法と比較して、UAVを用いたU2GおよびG2U通信におけるスニフェージングレートをどのように向上させるか？
• RQ2 U2GおよびG2U状況において、物理層セキュリティを強化するにあたり、UAVトラジェクチャ最適化と送信パワー制御の相対的寄与度は何か？
• RQ3 UAVの移動性を活用して、盗聴チャネルを能動的に劣化させつつ、正当なリンクを強化することは可能か？
• RQ4 飛行時間および平均送信パワーが、共同最適化による性能向上にどのように影響するか？
• RQ5 特にヒューリスティック設計（BET）と比較して、提案アルゴリズムが最適トラジェクチャにどの程度収束するか？

主な発見

• 共同トラジェクチャとパワー制御は、最適化なしのベンチマークと比較して、U2GおよびG2U通信両方におけるスニフェージングレートを顕著に向上させる。
• U2G状況では、UAVの移動が正当および盗聴チャネル両方に影響を与えるため、トラジェクチャ最適化がG2Uよりもより大きな性能向上をもたらす。
• G2U状況では、特に低平均送信パワー（例：-5 dBm）において、パワー制御がトラジェクチャ最適化よりも効果的であり、スニフェージングレートの向上が顕著である。
• 飛行時間T ≥ 600 sのとき、最適化されたトラジェクチャはヒューリスティックBEST-EFFORT TRAJECTORY（BET）設計に収束する。これは、UAVが地上ノードの真上を飛行してアップリンクレートを最大化するためである。
• 高送信パワー（例：≥10 dBm）では、最適化アルゴリズムとベンチマークアルゴリズムの間でスニフェージングレートの差が小さくなり、パワー制御による追加利点は限定的になる。
• T = 405 sのとき、提案されたT-OPT-With-PCアルゴリズムはBETベースのベンチマークを上回る性能を示す。これは、飛行時間が限られても、トラジェクチャの差が共同最適化の価値を裏付ける。