[论文解读] UAV-Enabled Cooperative Jamming for Improving Secrecy of Ground Wiretap Channel

An Li, Qingqing Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2018

Wireless Communication Security Techniques参考文献 10被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种由无人机（UAV）支持的移动干扰方案，通过联合优化无人机的轨迹和干扰功率，以提升地面窃听信道中的保密速率。利用块坐标下降法与连续凸优化，该方案通过利用无人机的移动性及 Line-of-Sight（LoS）信道优势，实现了有效且自适应的干扰，相较于基准方案显著提升了保密速率。

ABSTRACT

This letter proposes a novel UAV-enabled mobile jamming scheme to improve the secrecy rate of ground wiretap channel. Specifically, a UAV is employed to transmit jamming signals to combat against eavesdropping. Such a mobile jamming scheme is particularly appealing since the UAV-enabled jammer can fly close to the eavesdropper and opportunistically jam it by leveraging the UAV's mobility. We aim to maximize the average secrecy rate by jointly optimizing the UAV's trajectory and jamming power over a given flight period. To make the problem more tractable, we drive a closed-form lower bound for the achievable secrecy rate, based on which the UAV's trajectory and transmit power are optimized alternately by an efficient iterative algorithm applying the block coordinate descent and successive convex optimization techniques. Simulation results demonstrate that the proposed joint design can significantly enhance the secrecy rate of the considered wiretap system as compared to benchmark schemes.

研究动机与目标

• 为解决静态协作干扰在地面窃听系统中的局限性，即当固定干扰机远离窃听者时失效，且需要完美信道状态信息（CSI）的问题。
• 利用无人机的移动性及视 Line-of-Sight（LoS）的空对地信道，实现机会性干扰，以降低窃听性能，同时最小化对合法接收端的干扰。
• 联合优化无人机轨迹与干扰功率，以在实际约束条件下（包括移动性、平均功率与峰值功率限制）最大化平均保密速率。
• 构建一个可处理的优化框架，通过采用保密速率的闭式下界，以应对不 perfect CSI 和衰落信道的影响。

提出的方法

• 建立一个联合轨迹与功率控制问题，以在有限飞行周期内最大化可达保密速率的闭式下界。
• 采用块坐标下降法，交替优化无人机轨迹与干扰功率，将非凸问题分解为可处理的子问题。
• 利用连续凸优化方法，迭代逼近并求解非凸子问题，确保收敛至高质量解。
• 施加实际约束：无人机移动性（速度与距离限制）、源节点与无人机的平均功率与峰值功率限制。
• 将飞行周期离散化为 N 个时间槽，将无人机的三维轨迹建模为在恒定高度 H 下的水平位置序列。
• 采用基于距离的路径损耗模型来描述 LoS 无人机到窃听者链路，实现精确且无需 CSI 的干扰功率估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过利用无人机的移动性，在地面窃听信道中实现动态、基于距离的干扰，从而提升保密速率？
• RQ2 与独立或固定设计相比，联合优化无人机轨迹与干扰功率在提升保密性能方面有何优势？
• RQ3 在实际移动干扰设置中，无人机移动性约束与功率限制对可实现保密速率有何影响？
• RQ4 与无功率控制或次优轨迹的基准方案相比，所提方案表现如何？
• RQ5 能否推导出保密速率的闭式下界，以实现在不完美 CSI 条件下的高效优化？

主要发现

• 所提出的联合轨迹与功率控制（J-T&P）方案在所有测试飞行时长下均实现了最高的保密速率，显著优于两个基准方案及无干扰场景。
• 无功率控制的基准方案（T/NP）的保密速率低于无干扰情况（NJ），表明未优化的干扰可能降低系统性能。
• 随着飞行时间 T 增加，J-T&P 中无人机的轨迹变得更加自适应，偏离直线路径，转向在最优干扰位置附近悬停，从而减少对合法接收端的干扰。
• 当 T = 200 s（以最大速度从起点到终点的最短时间）时，所有方案的轨迹相同，但随着 T 增加，性能差异显现，凸显了优化的优势。
• 线段轨迹方案（LT/P）虽然具有最短的飞行时间，但性能较差，归因于缺乏自适应功率控制，凸显了联合设计的必要性。
• 数值结果证实，联合优化无人机轨迹与发射功率对于最大化保密速率至关重要，且随着飞行时间增加，定位优化能力提升，增益也随之增大。