Unmanned aerial vehicle (UAV)-based technology has recently become a significant growing fields thanks to advantages such as high mobility, affordable installation costs, and flexible deployment. In terms of wireless communication technology, UAV have been paid attention as a major element for Internet-of-Things (IoT) networks. In particular, attempts are being made to fully demonstrate the strengths of UAVs in infra-limited or infra-less environments, such as rural areas, disaster and emergency response, and military service situations. UAV-enabled communication is emerging as a technology that replaces the role of ground base stations such as distributing data traffic and enhancing coverage of cellular communications, and guarantees data transmission and reception as a temporary base station in special circumstances. Compared to quasi-stationary terrestrial communication systems, UAV-based systems can be flexibly deployed through high mobility and can increase stability by securing air-to-ground channels dominated by line-of-sight (LOS). Behind flexibilities and strengths, UAV-based communication systems have a significant problem of security vulnerabilities due to the LOS channels. By exploiting the characteristics of UAVs, physical layer security of UAV-assisted communication systems is being studied. In addition, the limitation of battery capacity is an inevitable physical limitation of UAVs.
In this dissertation, a secure UAV-assisted simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system is proposed to maximize the secrecy energy efficiency (SEE) of ground network, where a base station transmits a confidential message to an energy-constrained device in the presence of a passive eavesdropper (Eve) with an UAV as a helper node. In terms of energy management to overcome the limitation of battery capacity, UAV-assisted SWIPT system is considered and deals with the maximization problem of SEE. For the SEE maximization of UAV, we formulate the problem of jointly optimizing transmit powers for source and UAV, power splitting ratio of energy harvesting (EH), and flying trajectory of the UAV, and develop the algorithm to address the solution by leveraging successive convex approximation (SCA) and Dinkelbach’s algorithm. Via numerical results, it is verified that the proposed algorithm for joint optimization outperforms other benchmark schemes, which corroborates its feasibility and effectiveness.
무인 항공기 기반 기술은 높은 이동성, 경제적인 운용 비용, 유연한 배치 가능성과 같은 이점 덕분에 최근 많은 분야에서 활용하고 있다. 무선 통신 측면에서는 사물 인터넷 네트워크를 구성하는 주요 요소로써 주목 받고 있다. 특히 농촌지역, 재난 및 비상대응 상황, 군사환경 등 인프라가 없거나 제한적인 환경에서 무인 항공기의 강점을 발휘하는 시도가 이루어지고 있다. 셀룰러 통신 시스템의 트래픽 분산 및 통신 범위 확장 등 기존 지상 기지국의 역할을 대신하고, 특수 상황에서 임시 기지국으로써 데이터 송수신성을 보장할 수 있게 하는 통신 지원 기술로 떠오르고 있는 것이다. 무인 항공기 기반 무선 통신 시스템은 지상 통신 시스템과 비교하여 높은 이동성을 통해 다양한 조건에 따른 유연한 배치가 가능하며 line-of-sight가 우세한 air-to-ground 채널을 확보하여 통신 안정성을 높일 수 있다는 특성이 있다. 이러한 무인 항공기 기반 통신 시스템의 유연성과 강점 뒤에는 line-of-sight 채널의 형성으로 인한 보안 취약성이라는 중대한 문제점이 존재하며, 물리 계층 보안 측면에서의 연구 이슈들이 발생한다. 또한 배터리 용량의 한계는 무인 항공기가 가지는 필연적인 물리적인 제한이다.
본 논문에서는 정보 및 전력 동시 전송을 수행하는 무인 항공기가 물리 계층 보안 통신을 할 때 무인 항공기의 보안 에너지 효율 (SEE)을 극대화하는 기법을 제안한다. 보안 취약성 극복 측면에서, 정보원(情報原, source)은 도청자에 대항하고자 무인 항공기의 도움을 받아 에너지 사용이 제한되어 있는 목적지로 기밀 정보를 전송한다. 배터리 용량의 한계를 극복하기 위한 에너지 관리 측면에서, 무인 항공기는 정보 및 전력 동시 전송을 수행하며 이 때의 보안 에너지 효율을 극대화하기 위한 문제를 다룬다. 정보원과 무인 항공기에서의 송신 전력과 에너지 수확을 위한 전력 분할 비율 및 무인 항공기의 비행 궤적을 공동으로 최적화하는 문제를 공식화하고, 연속적인 볼록 근사 기법 (SCA)과 Dinkelbach 알고리즘을 활용하여 솔루션을 얻어낼 수 있는 알고리즘을 개발한다. 시뮬레이션 결과를 통해 본 논문에서 제안하는 알고리즘이 다른 벤치마크 기법들보다 성능이 우수하다는 것을 보임으로써 실현 가능성과 효과를 입증한다.
