[論文レビュー] Common Throughput Maximization for UAV-Enabled Interference Channel with Wireless Powered Communications

Lifeng Xie, Jie Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、無線で給電される通信ネットワークにおける2機の無人航空機（UAV）の共同軌道およびリソース割り当て設計を提案し、2台の地上IoTデバイスの上行リンクスループットの最小値を最大化することを目的としている。UAVの移動性を活用して下行リンクのエネルギー伝送と上行リンクの干渉調整またはCoMP受信を実現することで、顕著な性能向上が達成され、CoMPは干渉調整を上回る性能を示すが、複雑性が高くなるという代償を伴う。

ABSTRACT

This paper studies an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled two-user interference channel for wireless powered communication networks (WPCNs), in which two UAVs wirelessly charge two low-power Internet-of-things (IoT)-devices on the ground and collect information from them. We consider two scenarios when both UAVs cooperate in energy transmission and/or information reception via interference coordination and coordinated multi-point (CoMP), respectively. For both scenarios, the UAVs' controllable mobility is exploited via trajectory design to not only enhance the wireless power transfer (WPT) efficiency in the downlink, but also mitigate the co-channel interference for wireless information transfer (WIT) in the uplink. In particular, the objective is to maximize the uplink common (minimum) throughput of the two IoT-devices over a finite UAV mission period, by jointly optimizing the trajectories of both UAVs and the downlink/uplink wireless resource allocation, subject to the maximum flying speed and collision avoidance constraints at UAVs, as well as the individual energy neutrality constraints at IoT-devices. Under both scenarios of interference coordination and CoMP, we first obtain the optimal solutions to the two common-rate maximization problems in well structures for the special case with sufficiently long UAV mission duration. Next, we obtain high-quality solutions for the practical case with finite UAV mission duration by using the alternating optimization and successive convex approximation (SCA).

研究の動機と目的

• 2台のUAVを用いた無線で給電される通信ネットワークにおける、上行リンク共通（最小）スループットを最大化する課題に取り組む。
• WPCNにおける固定APの限界を克服し、UAVの移動性を活用してWPTおよびWITの効率を向上させる。
• 最大速度、衝突回避、およびIoTデバイスにおけるエネルギー中立性という実用的制約のもとで、UAVの軌道と無線リソース割り当てを共同最適化する。
• 干渉調整と協調マルチポイント（CoMP）の2つの送信戦略を比較し、性能のトレードオフを調査する。
• 長時間および有限時間のミッション期間に対して、それぞれ最適解および高品質な部分最適解を提供する。

提案手法

• UAVの移動性およびエネルギー中立性制約のもとで、共同軌道およびリソース割り当て最適化の下での共通スループット最大化問題を定式化する。
• 有限時間のミッション期間において、非凸問題を解くために逐次凸近似（SCA）と交互最適化を用いる。
• 長時間のミッション期間の特殊ケースに対して、順次ホバリング＆フライ（SHF）にインspiredされた軌道設計を提案し、WPTおよびWITのための最適な複数地点ホバリングを可能にする。
• WITにはZFビームフォーミングを適用し、CoMPが干渉低減およびシステム性能に与える影響を分析する。
• チャネル幾何学に基づく閉形式解を用いて、エネルギービームフォーミング利得関数の最適UAV間隔の解析的条件を導出する。
• エネルギービームフォーミング利得関数の単調性および最適性条件の証明により、解構造を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVの移動性をどのように活用することで、2ユーザー干渉チャネルにおける下行リンクWPTと上行リンクWITの効率を同時に最大化できるか？
• RQ2 UAVがエネルギー伝送および／または情報受信において協調する場合、最適な軌道およびリソース割り当て戦略は何か？
• RQ3 UAVの移動性のもとで、干渉調整とCoMP受信の両者を比較した場合、達成可能な共通スループットにどのような差が生じるか？
• RQ4 長時間のミッション期間における最適解の構造的性質は何か？ また、それらの性質は、有限時間のミッション期間における高品質な部分最適解の設計にどのように活用できるか？
• RQ5 UAVの速度、衝突回避、エネルギー中立性といった制約は、システム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

• 十分に長いミッション期間では、最適解はUAVがWPTとWITのそれぞれに別々の地点にホバリングする形を取る。最適間隔はUAV-デバイスリンクの幾何学的配置によって決定される。
• UAV間距離が $ 2H/\sqrt{3} $ を超えると、最適エネルギービームフォーミング利得は最小安全距離ではなく、非自明な間隔 $ x^{E*} = \epsilon $ で達成される。
• 有限時間のケースでは、提案された交互最適化およびSCAベースのアルゴリズムが、ベースライン手法と比較して顕著な性能向上を達成する高品質な解を提供する。
• CoMP送信は、干渉調整を上回る上行リンク共通スループットを実現するが、実装の複雑性が増加する。
• 数値結果により、UAVの移動性がシステム性能を顕著に向上させ、特にWPCNの運用範囲および信頼性の拡張に寄与することが確認された。
• 長時間の仮定に基づく最適軌道設計は、エネルギー伝送と情報伝送のための別々のホバリングが、公平性およびシステムスループットの最大化に不可欠であることを示している。