Currently, the unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled communications are emerging solutions to support the conventional terrestrial network and cellular communications such as enhancing coverage of ground base stations, offloading the data traffic, and so on. UAVs can be also exploited in various military and civil applications (e.g. battlefield, disaster, and hazardous region). In particular, exploiting the UAVs as temporary base stations have many advantages such as dominant line-of-sight air-to-ground channel, flexible deployment by on-demand requirements of ground nodes, and mobility compared to the quasi-stationary terrestrial base station. By exploiting the characteristics of these UAVs, many types of UAV-enabled communications are studied such as UAV transmitters, UAV jammers, and UAV relays. Moreover, the physical layer security of UAV-enabled communications can be significantly enhanced through the characteristic of UAVs by proper trajectory design and resource allocation. UAV jammers and UAV relays have been investigated for enhancing physical layer security given perfect location information of ground nodes including eavesdroppers. However, the availability of the location information of ground nodes is limited by the covert nature of Eves and the estimation errors of the global navigation satellite system (GNSS).
In this dissertation, we investigate the physical layer security of two types of UAV-enabled communications: UAV jammer scenario and dual UAV scenario (i.e., UAV relay and UAV jammer). Besides, we assume that the availability of the location information of ground nodes is limited by GNSS jamming/spoofing and practical estimation errors of GNSS and wireless localization. To tackle this issue, considering the location uncertainty of ground nodes, the robust trajectory design and resource allocation of UAV jammer are proposed for multiple ground nodes including multiple eavesdroppers. In the UAV jammer scenario, we aim to maximize the minimum secrecy rate among the multiple Bobs in the worst-case scenario of ground nodes. Moreover, we consider the propulsion energy constraint of UAV jammer. In the dual UAV scenario, we consider two optimization problems: secrecy rate maximization and secrecy energy efficiency maximization. To handle the non-convexity of the optimization problems, we propose an iterative algorithm based on the successive convex approximation and block coordinate descent scheme. Numerical results verify the performance of the proposed algorithm compared to benchmark schemes and provide insight to establish secure communications.
최근 무인 항공기 기반 통신 시스템은 셀룰러 통신 시스템의 데이터 트래픽을 분산하고, 통신 범위를 확장 하는 등 기존 지상 기지국 기반의 통신 시스템을 지원하기 위해 다양하게 연구되고 있다. 또한 재난 환경 및 전장 환경 등 다양한 위급 상황에서 임시 기지국으로써 원활한 통신 시스템 유지를 위해 중요한 역할을 수행할 것으로 주목받고 있다. 특히 무인 항공기는 지상 통신 시스템과 비교하여 이동성을 통해 통신 및 다양한 요구 조건에 따라 자유로이 배치가 가능한 적응성와 지상 채널 대비 보다 line-of-sight가 우세한 air-to-ground 채널을 확보 가능하다는 특성이 있다. 이러한 무인 항공기의 특성을 이용하여 무인 항공기 기반 릴레이 및 임시 기지국 등 다양한 무인 항공기 기반의 통신 시스템이 연구 되었다. 이러한 무인 항공기 기반의 통신 시스템의 경우 line-of-sight 채널로 인해 물리 계층 보안 측면에서 다양한 문제점과 연구 이슈들이 발생한다. 무인 항공기의 송,수신 통신 측면에서는 line-of-sight 채널로 인해 도청자가 쉽게 도청가능하다는 문제점이 발생한다. 반면 무인 항공기를 재머로써 이용하게 되면 악의적인 지상 도청자를 방해함으로써 물리 계층 보안을 증대 시킬 수 있는 좋은 방법이 될 수 있다.
본 논문에서는 무인 항공기 기반 통신 시스템에서 물리 계층 보안을 증가 시키기 위해 무인 항공기를 재머로써 사용한 시스템과 무인 항공기를 릴레이와 재머로써 사용하는 두가지 시스템 모델을 고려하였다. 또한 해당 논문에서는 지상 노드들의 위치 정보가 부정확하다고 가정하였다. 지상 노드가 위치 정보는 global navigation satellite system (GNSS)을 이용하거나 무선 통신 기지국의 무선 통신 기반 위치 추정 및 무인 항공기의 감시장비를 통해서 얻을 수 있다. 하지만 실제 GNSS 장비의 위치 부정확도 및 GNSS 재밍과 스푸핑 등으로 인해 위치 정보가 부정확할 수도 있으며, 도청자의 은신 등으로 인해 정확한 정보를 얻을 수 있다. 마찬가지로 무선 통신 기반 위치 추정 또한 채널 환경 등에 의해 정확한 위치 정보를 얻을 수 없다. 따라서 부정확한 지상 노드들의 위치 정보를 고려한 보안용량을 기하학적인 방법을 통해 도출하였다. 무인 항공기를 재머로써 사용하는 시스템에서는 보안용량을 최대화 하기 위한 문제를 고려하였고, 추가적으로 무인 항공기의 기동 에너지를 제한 조건으로 고려한 문제를 다루었다. 해당 문제에서는 무인 항공기의 궤도, 재밍 파워와 지상 유저와의 스케쥴링, 지상 송신단의 통신 파워를 최적화한다. 두번째, 무인 항공기를 재머와 릴레이로 사용하는 시스템 모델에서는 보안용량을 최대화 하기 위한 문제와 기동에너지를 같이 고려하여 보안 에너지 효율을 최대화 하기 위한 문제를 다루었다. 해당 문제에서는 재머 및 릴레이로 운용되는 각각의 무인 항공기의 궤도와 재밍 파워, 송신 파워 및 지상 송신단과 무인 항공기 릴레이와의 스케쥴링, 무인 항공기 릴레이와 지상 유저와의 스케쥴링을 최적화하였다. 앞서 언급한 최적화 문제는 difference-of-convex 함수 형태로 non-convex 문제이며, 이를 해결하기 위해 successive convex approximation과 block coordinate descent scheme에 기반하는 반복 알고리즘을 제안하였다. 최종적으로 제안한 알고리즘이 다양한 벤치마크 기법에 비해 물리 계층 보안을 보장할 수 있음을 검증 하였다.
