[论文解读] Reflections in the Sky: Joint Trajectory and Passive Beamforming Design for Secure UAV Networks with Reconfigurable Intelligent Surface

Hui Long, Ming Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用 80

一句话总结

本工作研究使用 RIS 的 UAV-支持通信中的安全性与能源效率，通过交替的基于 SCA 的算法联合优化 UAV 轨迹、RIS 相位偏移、用户关联和传输功率。与传统 AF 中继相比，报告了显著的增益。

ABSTRACT

This paper investigates the problem of secure energy efficiency maximization for a reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted uplink wireless communication system, where an unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with an RIS works as a mobile relay between the base station (BS) and a group of users. We focus on maximizing the secure energy efficiency of the system via jointly optimizing the UAV's trajectory, the RIS's phase shift, users' association and transmit power. To tackle this problem, we divide the original problem into three sub-problems, and propose an efficient iterative algorithm. In particular, the successive convex approximation method (SCA) is applied to solve the nonconvex UAV trajectory, the RIS's phase shift, and transmit power optimization sub-problems. We further provide two schemes to simplify the solution of phase and trajectory sub-problem. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm converges fast, and the proposed design can enhance the secure energy efficiency by up to 38\% gains, as compared to the traditional schemes without any RIS.

研究动机与目标

• 在具有 RIS 的 UAV 辅助网络中推动安全通信，以克服障碍和监听。
• 在优化能量效率的同时最大化最小（公平）保密速率。
• 开发一个高效的算法，联合优化 UAV 轨迹、RIS 相位偏移、用户关联和传输功率。
• 提供 RIS 在 UAV 侧安全网络中相较传统中继的好处的见解。

提出的方法

• 对一个上行 RIS 辅助系统建模，UAV 装有 RIS，在用户与基站之间进行中继。
• 将非凸的最大-最小保密能量效率问题分解为三个子问题（关联、功率、相位/轨迹）。
• 对非凸子问题应用逐步凸逼近，并使用交替优化框架。
• 推导 RIS 元件的闭式相位对准以最大化接收能量，并提出两种轨迹-相位优化方案。
• 给出带收敛性保证的迭代算法 2，并分析计算复杂性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化 UAV 轨迹、RIS 相位偏移、用户关联和传输功率以最大化保密能效？
• RQ2 在 UAV 辅助的安全网络中增加 RIS 相对于传统 AF 中线的好处有哪些？
• RQ3 在 UAV 速度和能耗等实际约束下，轨迹与相位优化如何相互作用？

主要发现

• 所提出的算法相较于无 RIS 的方案在保密能效方面提升可达 38%。
• RIS 辅助的 UAV 在保密能效方面可优于传统 AF 中继，且当 RIS 元件数量增加时收益提升。
• 最优的 UAV 轨迹形成一个闭环，访问用户同时避免靠近窃听者以维持保密性。
• RIS 在不同高度和路径损耗条件下提供显著的能效增益，且 RIS 元件数量越多，收益越大。
• 方案 I（联合相位和轨迹优化）比方案 II（替代简化）表现更好。
• 数值结果显示收敛快速并且 RIS 在遮挡的户外环境中具有明显优势。