[논문 리뷰] UAV-Enabled Covert Wireless Data Collection

Xiaobo Zhou, Shihao Yan외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 20.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전용 사용자로부터 데이터를 수집하면서 비순차적 사용자에 의한 탐지를 방지하기 위해 인공 노이즈를 전송하는 전이중성 드론(UAV)을 이용한 은밀한 무선 데이터 수집 시스템을 제안한다. 보다 엄격한 은밀성 제약 조건 하에서도 기준 대비 훨씬 높은 최소 평균 전송 속도를 달성하기 위해, UAV의 항로, 최대 인공 노이즈 전력, 사용자 스케줄링을 함께 최적화하는 보상 연속적 볼록 근사(P-SCA) 기법을 사용한다.

ABSTRACT

This work considers unmanned aerial vehicle (UAV) networks for collecting data covertly from ground users. The full-duplex UAV intends to gather critical information from a scheduled user (SU) through wireless communication and generate artificial noise (AN) with random transmit power in order to ensure a negligible probability of the SU's transmission being detected by the unscheduled users (USUs). To enhance the system performance, we jointly design the UAV's trajectory and its maximum AN transmit power together with the user scheduling strategy subject to practical constraints, e.g., a covertness constraint, which is explicitly determined by analyzing each USU's detection performance, and a binary constraint induced by user scheduling. The formulated design problem is a mixed-integer non-convex optimization problem, which is challenging to solve directly, but tackled by our developed penalty successive convex approximation (P-SCA) scheme. An efficient UAV trajectory initialization is also presented based on the Successive Hover-and-Fly (SHAF) trajectory, which also serves as a benchmark scheme. Our examination shows the developed P-SCA scheme significantly outperforms the benchmark scheme in terms of achieving a higher max-min average transmission rate from all the SUs to the UAV.

연구 동기 및 목표

• 비순차적 사용자에 의해 탐지되지 않도록 지상 사용자로부터 은밀하게 데이터를 수집하는 문제를 해결하기 위해.
• 각 비순차적 사용자에서 탐지 오차율 분석을 기반으로 은밀성 제약 조건을 명시적으로 모델링하고 강제 적용하기 위해.
• 실제 이동성 및 시스템 제약 조건 하에서 UAV 항로, 인공 노이즈 전력, 사용자 스케줄링을 함께 최적화하기 위해.
• 모든 순차적 사용자 간 최소 평균 전송 속도(ATR)를 최대화하면서도 은밀성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 은밀성 및 이동성 제약 조건 하에서 UAV 항로, 인공 노이즈 전력, 사용자 스케줄링을 통합한 혼합정수비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 이진 사용자 스케줄링 제약 조건을 근사함으로써 비볼록 문제를 반복적으로 해결할 수 있는 새로운 보상 연속적 볼록 근사(P-SCA) 기법을 개발한다.
• UAV 경로 설계의 초기화 및 기준으로 사용하기 위해 일련의 성능 향상된 정지-비행(SHAF) 경로를 사용한다.
• 비볼록 전송 속도 표현을 볼록화하기 위해 로그 함수의 일阶 근사를 활용하여 효율적인 반복 최적화를 가능하게 한다.
• 각 비순차적 사용자에서의 탐지 성능을 유도하여, 최소 탐지 오차율 기반으로 은밀성 제약 조건을 명시적으로 정의한다.
• 이진 사용자 스케줄링 제약 조건을 처리하기 위해 보상 항목을 도입하여 타당한 해에 수렴할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무선 네트워워크에서 비순차적 사용자에 의해 탐지되지 않도록 드론이 순차적 사용자로부터 은밀하게 데이터를 수집할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 은밀성 제약 조건 하에서 데이터 수집 속도를 최대화하기 위해 UAV 항로, 인공 노이즈 전력, 사용자 스케줄링을 최적의 방식으로 통합 설계하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 드론의 비행 기간이 은밀한 데이터 수집 시스템에서 달성 가능한 최소 평균 전송 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 은밀성 수준(ε로 제어됨)이 UAV 항로 및 인공 노이즈 전력 적응에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 시스템 성능 및 내구성 측면에서 제안된 P-SCA 기법이 기준 항로(SHAF)와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• P-SCA 기법은 비행 기간이 길어질수록 SHAF 기준 대비 더 높은 최소 평균 전송 속도를 지속적으로 달성한다.
• P-SCA 기법 하에서 최소 평균 전송 속도는 비행 기간 T가 증가함에 따라 단조적으로 증가하며, 더 나은 설계 유연성을 보여준다.
• 은밀성 요구 조건(ε)이 엄격해질수록 P-SCA 기반 UAV 항로가 모든 지상 사용자의 중심으로 수렴하는 경향을 보인다.
• 은밀성 요구 수준이 높아질수록 UAV의 최대 인공 노이즈 전송 전력이 증가하여 탐지 범위 감소를 상쇄한다.
• P-SCA 기법은 혼합정수비볼록 문제를 효과적으로 다루며, 적응형 항로 및 전력 설계 덕분에 SHAF 기준 대비 뛰어난 성능을 보인다.
• 시스템 성능는 은밀성 요구 조건에 의해 가장 크게 제약을 받으며, ε 값이 더 엄격해질수록 달성 가능한 속도가 상당히 낮아진다.