DOI: https://doi.org/10.1109/twc.2025.3550911
تاريخ النشر: 2025-03-24
المؤلف: Jinpeng Xu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات أمان الاتصالات اللاسلكية
نظرة عامة
في هذا البحث، يقترح المؤلفون طريقة نقل سرية وتحتية تعاونية مصممة لمستخدمي الأرض متعدد الهوائيات الذين يتواصلون مع طائرة مسيرة (UAV). باستخدام الوصول المتعدد غير المتعامد في مجال الطاقة (NOMA)، تتيح الطريقة لمستخدمين، بوب وكارلو، دمج إشاراتهم لنقلها إلى الطائرة المسيرة، أليس، بينما يحاول خصم، ويلي، التنصت على رسالة بوب واكتشاف نقل كارلو. تستخلص الدراسة تعبيرات مغلقة لشروط احتمال الاتصال السري (SCP) واحتمال الاتصال السري (CCP) لتقييم موثوقية الرابط، إلى جانب تحديد حدود احتمال انقطاع السرية (SOP) واحتمال خطأ الكشف (DEP) لتقييم الأمان.
يقوم المؤلفون بصياغة مشكلة تحسين متعددة الأهداف ذات وزن تهدف إلى زيادة متوسط معدلات النقل السري والتحتية، مع مراعاة قيود على SOP وDEP واستراتيجيات تشكيل الحزم ومعلمات مسار الطائرة المسيرة. تم اقتراح خوارزمية تحسين تكرارية تستخدم طرق التقريب المحدب المتتالي والانحدار التناسقي الكتلي (SCA-BCD) لحل هذه المشكلة. تسلط النتائج الضوء على تأثير معلمات تصميم النظام على معدلات التنصت والسرية، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة حول بناء أنظمة اتصالات UAV آمنة متعددة المستخدمين. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية توسيع النموذج ليأخذ في الاعتبار أنواع الطائرات المسيرة المتنوعة، ووجود خصوم متعددين، ومعلومات حالة القناة غير المثالية (CSI)، واستكشاف تكوينات MIMO لكل من الطائرة المسيرة والخصم.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الأهمية المتزايدة لاتصالات الطائرات المسيرة (UAV) في سياق الشبكات المتكاملة بين الفضاء والجو والأرض (SAGIN). تسلط الضوء على التحديات الفريدة التي تطرحها الطائرات المسيرة، لا سيما احتمال نقل خط الرؤية (LoS) العالي، مما يزيد من الضعف أمام الكشف والاعتراض من قبل الخصوم. تستلزم هذه الحالة تدابير أمان قوية تتجاوز طرق التشفير التقليدية، التي قد تفشل أمام الخصوم الذين لديهم موارد حسابية غير محدودة. تؤكد الورقة على أهمية أمان الطبقة الفيزيائية (PLS) وتقدم الاتصالات السرية كنهج واعد لحماية كل من المحتوى ووقوع الاتصالات.
يقترح المؤلفون مخطط نقل سري وتحتية تعاوني متعدد المستخدمين يعتمد على الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA) لاتصالات الطائرات المسيرة عبر قناة تلاشي شبه ثابتة. هذه الدراسة ملحوظة لكونها الأولى التي تتناول الاتصالات السرية والتحتية التعاونية في أنظمة الطائرات المسيرة متعددة المستخدمين ومتعددة الهوائيات. توضح الورقة عدة مساهمات رئيسية، بما في ذلك اشتقاق تعبيرات لاحتمالات الاتصال السري والتحتية، وصياغة مشكلة تحسين متعددة الأهداف لتعزيز جودة الخدمة الآمنة (QoS)، وتطوير خوارزمية انحدار تناسقي كتلي تعتمد على التقريب المحدب المتتالي (SCA-BCD). تساعد هذه الخوارزمية في استكشاف التبادلات بين معدلات السرية والتحتية، مما يوفر رؤى حول كيفية تأثير معلمات التصميم المختلفة على أمان وكفاءة الاتصالات.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على الأبحاث الواسعة التي أجريت حول قنوات التنصت في اتصالات الطائرات المسيرة، مع التركيز على كل من النقل في الاتجاهين النزولي والصعودي. اقترحت دراسات مختلفة طرقًا لتعزيز أداء السرية، وتحسين تشكيل الحزم، وزيادة كفاءة الطاقة باستخدام تقنيات مثل الضوضاء الاصطناعية (AN) والتعديل الاتجاهي. من الجدير بالذكر أنه بينما تم إحراز تقدم كبير في اتصالات السرية في الاتجاه النزولي للطائرات المسيرة، لا يزال استكشاف الاتصالات السرية والتحتية التعاونية متعددة المستخدمين ومتعددة الهوائيات في أنظمة النقل الصعودي للطائرات المسيرة غير مُعالج إلى حد كبير. تركز الأدبيات الحالية بشكل أساسي على سيناريوهات الهوائي الواحد أو تعالج الاتصالات السرية والتحتية ككيانات منفصلة، مما يحد من القدرة على تلبية متطلبات الأمان المتنوعة لمستخدمين متعددين.
تحدد الورقة التحديات الرئيسية في تطوير استراتيجية نقل آمنة تعاونية توازن بين معدلات السرية والتحتية بينما تحسن تخصيص الموارد لتعزيز جودة الخدمة (QoS) لمستخدمي الأرض. تؤكد على ضرورة وجود نهج شامل يدمج كل من تدابير الاتصالات السرية والتحتية لتلبية الاحتياجات الأمنية المتنوعة للمستخدمين في أنظمة الطائرات المسيرة. يجادل المؤلفون بأن الحالة الحالية للبحث لا تلبي هذه المتطلبات بشكل كافٍ، مما يشير إلى فجوة كبيرة في الأدبيات التي تهدف دراستهم إلى سدها.
باختصار، يقترح المؤلفون أن يركز البحث المستقبلي على الاتصالات السرية والتحتية التعاونية في أنظمة الطائرات المسيرة، مع معالجة تعقيدات سيناريوهات متعددة المستخدمين ودمج التقنيات المتقدمة لتعزيز الأمان والكفاءة في اتصالات الطائرات المسيرة.
DOI: https://doi.org/10.1109/twc.2025.3550911
Publication Date: 2025-03-24
Author(s): Jinpeng Xu et al.
Primary Topic: Wireless Communication Security Techniques
Overview
In this research, the authors propose a collaborative secret and covert transmission method tailored for multi-antenna ground users communicating with an unmanned aerial vehicle (UAV). Utilizing power domain non-orthogonal multiple access (NOMA), the method allows two users, Bob and Carlo, to superimpose their signals for transmission to the UAV, Alice, while an adversary, Willie, attempts to eavesdrop on Bob’s message and detect Carlo’s transmission. The study derives closed-form expressions for the secrecy connection probability (SCP) and covert connection probability (CCP) to assess link reliability, alongside bounding the secrecy outage probability (SOP) and detection error probability (DEP) to evaluate security.
The authors formulate a weighted multi-objective optimization problem aimed at maximizing the average secret and covert transmission rates, subject to constraints on SOP, DEP, beamforming strategies, and UAV trajectory parameters. An iterative optimization algorithm employing successive convex approximation and block coordinate descent (SCA-BCD) methods is proposed to solve this problem. The findings highlight the impact of system design parameters on wiretap and covert rates, contributing valuable insights into the construction of secure multi-user UAV communication systems. Future research directions include extending the model to account for varying UAV types, multiple adversaries, imperfect channel state information (CSI), and exploring MIMO configurations for both the UAV and adversary.
Introduction
The introduction of the paper discusses the increasing significance of unmanned aerial vehicle (UAV) communication in the context of space-air-ground integrated networks (SAGIN). It highlights the unique challenges posed by UAVs, particularly their high probability of line-of-sight (LoS) transmission, which increases vulnerability to detection and interception by adversaries. This situation necessitates robust security measures beyond traditional encryption methods, which may fail against adversaries with unlimited computational resources. The paper emphasizes the importance of physical layer security (PLS) and introduces covert communication as a promising approach to safeguard both the content and the occurrence of communications.
The authors propose a novel non-orthogonal multiple access (NOMA)-based multi-user corroborative secret and covert uplink transmission scheme for UAV communications over a quasi-static fading channel. This study is notable for being the first to address collaborative secret and covert communications in multi-user, multi-antenna UAV systems. The paper outlines several key contributions, including the derivation of expressions for secrecy and covert connection probabilities, the formulation of a multi-objective optimization problem to enhance secure quality of service (QoS), and the development of a successive convex approximation-based block coordinate descent (SCA-BCD) algorithm. This algorithm aids in exploring the trade-offs between secret and covert rates, providing insights into how various design parameters influence communication security and efficiency.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the extensive research conducted on wiretap channels in UAV communications, focusing on both downlink and uplink transmissions. Various studies have proposed methods to enhance secrecy performance, optimize beamformers, and improve energy efficiency using technologies such as artificial noise (AN) and directional modulation. Notably, while significant advancements have been made in UAV downlink secrecy communications, the exploration of multi-user, multi-antenna collaborative secret and covert communications in UAV uplink systems remains largely unaddressed. Existing literature predominantly focuses on single-antenna scenarios or treats secret and covert communications as separate entities, which limits the ability to meet diverse security requirements of multiple users.
The paper identifies key challenges in developing a collaborative secure transmission strategy that balances secret and covert rates while optimizing resource allocation to enhance the quality of service (QoS) for ground users. It emphasizes the necessity for a comprehensive approach that integrates both secret and covert communication measures to address the varied security needs of users in UAV systems. The authors argue that the current state of research does not adequately satisfy these requirements, indicating a significant gap in the literature that their study aims to fill.
In summary, the authors propose that future research should focus on collaborative secret and covert communications in UAV systems, addressing the complexities of multi-user scenarios and the integration of advanced technologies to enhance security and efficiency in UAV communications.