[論文レビュー] Cellular-Connected UAV: Uplink Association, Power Control and Interference Coordination

Weidong Mei, Qingqing Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 27被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、スケジューリング共有下での干渉制約のもとで、無線基地局（BS）と地上ユーザーの重み付き和スループットを最大化するため、セルラー接続型無人航空機（UAV）における集中型および分散型の隣接セル干渉制御（ICIC）方式を提案する。逐次凸近似および最適分割アルゴリズムを用いて、上行リンクのセル接続と電力制御を共同最適化することで、信号伝送のオーバーヘッドを低減しつつ、近似的最適性能を達成し、視線（LoS）マクロダイバーシティを活用してスペクトル効率を向上させる。

ABSTRACT

The line-of-sight (LoS) air-to-ground channel brings both opportunities and challenges in cellular-connected unmanned aerial vehicle (UAV) communications. On one hand, the LoS channels make more cellular base stations (BSs) visible to a UAV as compared to the ground users, which leads to a higher macro-diversity gain for UAV-BS communications. On the other hand, they also render the UAV to impose/suffer more severe uplink/downlink interference to/from the BSs, thus requiring more sophisticated inter-cell interference coordination (ICIC) techniques with more BSs involved. In this paper, we consider the uplink transmission from a UAV to cellular BSs, under spectrum sharing with the existing ground users. To investigate the optimal ICIC design and air-ground performance trade-off, we maximize the weighted sum-rate of the UAV and existing ground users by jointly optimizing the UAV's uplink cell associations and power allocations over multiple resource blocks. However, this problem is non-convex and difficult to be solved optimally. We first propose a centralized ICIC design to obtain a locally optimal solution based on the successive convex approximation (SCA) method. As the centralized ICIC requires global information of the network and substantial information exchange among an excessively large number of BSs, we further propose a decentralized ICIC scheme of significantly lower complexity and signaling overhead for implementation, by dividing the cellular BSs into small-size clusters and exploiting the LoS macro-diversity for exchanging information between the UAV and cluster-head BSs only. Numerical results show that the proposed centralized and decentralized ICIC schemes both achieve a near-optimal performance, and draw important design insights based on practical system setups.

研究の動機と目的

• 視線（LoS）空中から地上へのチャネルと基地局（BS）の可視範囲の拡大に起因する上行リンク干渉の課題に対処すること。
• 複数のリソースブロックにわたる上行リンクセル接続と電力割り当てを共同最適化することで、UAVおよび地上ユーザーの重み付き和スループットを最大化すること。
• 信号伝送のオーバーヘッドを大幅に低減しつつ、近似的最適性能を維持する低複雑度の分散型ICIC方式を設計すること。
• 基地局をクラスタリングし、UAVとクラスターヘッドBS間でのみ情報交換を許可することで、LoSマクロダイバーシティを活用すること。

提案手法

• スペクトル共有および干渉制約のもとで重み付き和スループットを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 逐次凸近似（SCA）法を適用し、反復的に非凸問題を近似・解釈することで、局所最適解に収束する。
• SCAを用いて、すべてのBSにわたるUAVのセル接続と電力制御を共同最適化する集中型ICIC方式を提案する。
• BSをクラスタに分割し、UAVとクラスターヘッドBS間でのみ通信を制限することで、信号伝送のオーバーヘッドを低減する分散型ICIC方式を開発する。
• 正規の実行可能集合上での累乗積関数を目的関数とする部分問題を解くために、最適分割アルゴリズム（OPA）を採用する。
• OPAにおける妥当性部分問題を二分探索法で解き、解空間を反復的に精錬することで、保証された収束性を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 視線（LoS）チャネルに起因する高いマクロダイバーシティを有するセルラー接続型UAVネットワークにおいて、どのように隣接セル干渉を効果的に制御できるか。
• RQ2 UAV-BS接続および電力割り当てにおける、上行リンク和スループット性能とシステム複雑度の最適なトレードオフは何か。
• RQ3 分散型ICIC方式は、集中型手法と比較して顕著に信号伝送のオーバーヘッドを低減しつつ、近似的最適性能を達成できるか。
• RQ4 LoSマクロダイバーシティの活用は、UAV上行リンク通信における干渉制御の設計および性能にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 提案された集中型ICIC方式は、逐次凸近似を用いてセル接続と電力制御を共同最適化することで、近似的最適性能を達成する。
• 分散型ICIC方式は、BSをクラスタリングし、UAVとクラスターヘッドBS間の情報交換に限定することで、信号伝送のオーバーヘッドを顕著に低減しつつも、高い性能を維持する。
• 数値結果により、両方式とも従来手法を上回り、ほぼ最適な和スループット性能を達成することが確認された。
• OPAアルゴリズムは、反復的なポリブロックの精錬を実行し、ε-最適解への収束を保証することで、非凸部分問題を効果的に解ける。
• LoSマクロダイバーシティのおかげで、UAVは複数のBSに接続可能となり、ダイバーシティゲインが向上し、上行リンクの信頼性が向上する。
• 二分探索に基づく部分問題の解法により、提案手法の妥当性が検証され、実用的な展開環境でも堅牢な収束性が保証された。