[论文解读] Active Intelligent Reflecting Surface Assisted Secure Air-to-Ground Communication with UAV Jittering

Yimeng Ge, Jiancun Fan|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于主动智能反射面（IRS）的鲁棒安全传输方案，用于缓解无人机（UAV）抖动导致的空中到地面（A2G）无人机通信性能下降问题。通过在最坏情况保密速率约束下联合优化无人机的波束成形以及IRS的相位偏移和放大增益，该方案显著降低了传输功率，同时提升了物理层安全性，数值结果验证了在信道不确定性下的功率节省效果。

ABSTRACT

Unmanned Aerial Vehicles (UAV)-enabled communication is a promising solution for secure air-to-ground (A2G) networks due to the additional secure degrees of freedom afforded by mobility. However, the jittering characteristics caused by the random airflow and the body vibration of the UAV itself have a non-negligible impact on the performance of UAV communication. Considering the impact of UAV jittering, this paper propose a robust and secure transmission design assisted by an novel active intelligent reflecting surface (IRS),where the reflecting elements in IRS not only adjust the phase shift but also amplify the amplitude of signals. Specifically, under the worst-case secrecy rate constraints, we aim to minimize the transmission power by the robust joint design of active IRS's reflecting coefficient and beamforming at the UAV-borne base station (UBS). However,it is challenging to solve the joint optimization problem due to its non-convexity. To tackle this problem, the non-convex problem is reformulated with linear approximation for the channel variations and linear matrix inequality transformed by S-procedure and Schur's complement. Then, we decouple this problem into two sub-problems, namely, passive beamforming and active IRS's reflecting coefficient optimization, and solve them through alternate optimization (AO). Finally, the numerical results demonstrate the potential of active IRS on power saving under secure transmission constraints and the impact of UAV jittering.

研究动机与目标

• 为解决由于随机气流和机械振动引起的无人机抖动，导致无人机启用的空中到地面（A2G）通信系统性能下降的问题。
• 通过利用主动IRS提供的安全自由度（兼具相位调控与信号放大功能），提升A2G网络的物理层安全性。
• 在考虑因无人机抖动引起的信道不确定性条件下，最小化无人机载基站（UBS）的传输功率，同时满足最坏情况下的保密速率约束。
• 提出一种鲁棒联合优化框架，用于波束成形与主动IRS反射系数的设计，以确保安全且节能的通信。

提出的方法

• 针对最坏情况保密速率约束下的无人机波束成形与主动IRS反射系数联合设计，构建一个非凸优化问题。
• 采用线性近似方法处理由无人机抖动引起的信道变化，将问题转化为可处理的形式。
• 利用S-过程与舒尔补（Schur’s complement）将非凸约束转换为线性矩阵不等式（LMIs）。
• 将联合问题分解为两个子问题：无源波束成形与主动IRS系数优化，通过交替优化（AO）方法求解。
• 采用一阶泰勒近似方法，将信道不确定性下的保密速率下界凸化。
• 迭代优化波束成形与IRS反射系数，在最坏情况信道模型下确保收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 无人机抖动如何影响A2G通信系统中的保密速率与功率效率？
• RQ2 在存在无人机抖动的情况下，具备联合相位调控与放大能力的主动IRS是否能够提升保密速率并降低传输功率？
• RQ3 在由无人机运动引起的最坏情况信道不确定性下，最优的鲁棒波束成形与IRS反射系数设计是什么？
• RQ4 与传统无源IRS或直连传输相比，所提出的方案在功率效率与安全性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的鲁棒波束成形与主动IRS优化方案在相同保密速率约束下，相比传统方案实现了显著的功率节省。
• 数值结果证实，主动IRS能有效缓解无人机抖动对保密性能的负面影响，通过增强期望信号并抑制窃听。
• 在所有信道不确定性实现下，最坏情况下的保密速率均得到保持，验证了所提设计的鲁棒性。
• 交替优化（AO）算法收敛稳定，展示了其在实时实现中的实际可行性。
• 主动IRS的引入增加了安全自由度，使保密速率性能优于无源IRS或直连链路。