[论文解读] Terahertz-supported Untrusted UAV-Relaying: Secrecy Energy Efficiency Maximization via Trajectory and Communication Co-design.

Milad Tatar Mamaghani, Yi Hong|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

UAV Applications and Optimization参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在太赫兹频段下采用不可信中继的无人机中继系统，通过两阶段传输与协作干扰技术，最大化保密能效（SEE）。通过先进优化技术联合优化轨迹、速度、功率分配与调度，该方案在无人机功率约束下相较基准方案实现了显著的SEE增益。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) and Terahertz (THz) technology are envisioned to play paramount roles in next-generation wireless communications. Hence, this paper presents a novel secure UAV-assisted mobile relaying system operating at THz bands for data acquisition from multiple ground user equipments towards a destination. We assume that the UAV-mounted relay may act, besides providing relaying services, as a potential adversary called the untrusted UAV relay. To safeguard end-to-end communications, we present a secure two-phase transmission strategy with cooperative jamming. Then, we formulate an optimization problem in terms of a new measure $-$ secrecy energy efficiency (SEE), defined as the ratio of achievable average secrecy rate to average system power consumption, which enables us to obtain the best possible security level while taking UAV's inherent flight power limitation into account. This optimization problem leads to a joint design of key system parameters, including UAV's trajectory and velocity, communication scheduling, and power allocations. Since the formulated problem is a mixed-integer nonconvex optimization and computationally intractable, we propose alternative algorithms to solve it efficiently via greedy/sequential block coordinated descent, successive convex approximation, and non-linear fractional programming techniques. Numerical results demonstrate significant SEE performance improvement of our designs when compared to other known benchmarks.

研究动机与目标

• 解决无人机中继系统中无人机中继可能作为不可信攻击者所带来的安全漏洞问题。
• 设计一种两阶段传输协议，结合协作干扰，以防止不可信无人机中继窃听数据。
• 在严格的无人机飞行功率约束下，最大化保密能效（SEE），其定义为平均保密速率与系统功耗的比值。
• 联合优化无人机轨迹、速度、通信调度与功率分配，以同时提升安全性和能效。
• 开发高效算法，求解由SEE最大化框架引发的计算上难以处理的混合整数非凸优化问题。

提出的方法

• 提出一种两阶段传输策略：第一阶段，源节点向无人机中继发送信号；第二阶段，无人机将数据转发至目的节点，同时发射人工噪声以干扰潜在窃听者。
• 引入源节点与目的节点的协作干扰，以降低窃听信道容量，增强保密性。
• 将保密能效（SEE）最大化问题建模为混合整数非凸优化问题，综合考虑无人机移动性与功率约束。
• 采用连续凸逼近（SCA）处理非凸性，并利用非线性分数规划将分数形式的SEE目标函数转化为可处理形式。
• 采用贪婪/顺序块坐标下降法，迭代优化轨迹、速度、功率分配与调度变量。
• 将无人机移动性约束（如最大速度、加速度限制）与功耗模型整合进优化框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 当无人机中继不可信且可能窃听通信时，如何确保太赫兹频段无人机中继系统中的保密性？
• RQ2 在实际无人机功率约束下，如何实现无人机轨迹、速度、功率分配与通信调度的最优联合设计，以最大化保密能效？
• RQ3 与无干扰的传统中继方案相比，所提出的两阶段传输结合协作干扰在保密性能方面有何提升？
• RQ4 在该安全无人机中继系统中，哪些优化技术能有效求解混合整数非凸SEE最大化问题？
• RQ5 与现有基准方案相比，所提出的联合设计框架在SEE性能增益方面能达到何种水平？

主要发现

• 所提出的SEE最大化框架相较基准方案实现了显著性能增益，验证了联合轨迹、功率与调度优化的有效性。
• 协作干扰的使用显著提升了保密速率，尤其在路径损耗高、波束成形方向性强的太赫兹频段中效果更明显。
• 连续凸逼近与非线性分数规划技术能有效处理SEE问题的非凸性与分数目标，实现高质量解的收敛。
• 贪婪/顺序块坐标下降法可高效优化耦合的轨迹、速度与功率分配变量，在计算复杂度与性能之间取得良好平衡。
• 数值结果证实，所提设计方案在SEE性能上优于传统方案，尤其在严格的无人机功率限制下表现更优。
• 系统实现了单位系统功耗下更高的平均保密速率，验证了SEE作为能量受限无人机网络性能度量的实用性。