[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种联合优化通信调度、功率分配与无人机轨迹的方法，以在存在潜在窃听者的情况下，最大化无人机辅助移动中继系统中的保密能效（SEE）。通过应用连续凸逼近（SCA）和Dinkelbach算法，所提出的迭代方法相较于基准方案实现了显著的SEE增益——最高达12.27 kbits/J，尤其在时间窗口增大时表现更优。

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

研究动机与目标

• 解决在直接链路被阻断且可能存在窃听者的情况下，无人机辅助移动中继系统中保密通信的安全挑战。
• 在有限时间窗口内最大化保密能效（SEE），平衡保密速率与无人机能耗。
• 在移动性约束（速度、加速度、初始/最终位置）下，联合优化通信调度、发射功率分配与无人机轨迹。
• 通过分解与迭代优化，克服SEE最大化问题的非凸性与混合整数特性。
• 证明联合设计相较于基准方案（如固定直线轨迹与无轨迹优化）的优越性。

提出的方法

• 将SEE最大化问题建模为带有无人机速度、加速度与平均功率约束的混合整数非凸优化问题。
• 将问题分解为三个子问题：调度、功率分配与轨迹优化，通过迭代方式求解。
• 应用连续凸逼近（SCA）处理轨迹与功率子问题中的非凸性。
• 使用Dinkelbach算法通过将其转化为一系列参数化子问题，求解分数形式的SEE最大化问题。
• 施加信息因果性约束，确保无人机仅转发已收集的信息。
• 采用时分双工（TDD）协议与解码转发（DF）中继，实现可靠且安全的传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合优化无人机轨迹、功率分配与通信调度在移动中继系统中如何提升保密能效？
• RQ2 时间窗口长度对轨迹优化在SEE最大化中性能增益的影响如何？
• RQ3 与固定或无约束轨迹的基准方案相比，所提算法在SEE方面表现如何？
• RQ4 当无人机受速度与加速度约束时，轨迹设计在多大程度上促进保密速率提升？
• RQ5 信息因果性约束如何影响联合优化框架的可行性与性能？

主要发现

• 所提出的联合设计在100秒时间窗口下实现了12.27 kbits/J的保密能效（SEE），显著优于基准方案。
• SEE随时间窗口增大而提升，所提方法在T=300s时达到11.08 kbits/J，而DCF/wo方案为6.31 kbits/J，SF/w方案仅为1.30 kbits/J。
• 在T=300s时，SEE随平均源发射功率增加而提升至某一临界点，此后中继功率受限导致转发容量成为瓶颈。
• 随着时间窗口增大，轨迹优化在SEE提升中起主导作用，使无人机能够以“8”字形模式在源与目的地附近悬停，实现最优保密性。
• 无人机在S2R（源到中继）与R2D（中继到目的地）阶段之间交替工作，最优切换时机由信道条件与窃听者距离决定。
• 信息因果性约束在时间窗口结束时以等式形式满足，验证了所提调度与转发逻辑的正确性。