[論文レビュー] Dynamic Mobility-Aware Interference Avoidance for Aerial Base Stations in Cognitive Radio Networks

Ali Rahmati, Xiaofan He+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、認知無線ネットワークにおける空中基 station (ABS) の動的移動指向干渉回避方式を提案する。スペクトルグラフ理論と重み付きチーレル定数を用いて、最大ネットワークフローを達成するように ABS の軌道を最適化する。この方式により、分散的かつエネルギー効率の良い移動再配置が可能となり、主ネットワークからの干渉を軽減し、最大フロー性能に最小限の損失で最大39%のエネルギー削減を達成する。

ABSTRACT

Aerial base station (ABS) is a promising solution for public safety as it can be deployed in coexistence with cellular networks to form a temporary communication network. However, the interference from the primary cellular network may severely degrade the performance of an ABS network. With this consideration, an adaptive dynamic interference avoidance scheme is proposed in this work for ABSs coexisting with a primary network. In the proposed scheme, the mobile ABSs can reconfigure their locations to mitigate the interference from the primary network, so as to better relay the data from the designated source(s) to destination(s). To this end, the single/multi-commodity maximum flow problems are formulated and the weighted Cheeger constant is adopted as a criterion to improve the maximum flow of the ABS network. In addition, a distributed algorithm is proposed to compute the optimal ABS moving directions. Moreover, the trade-off between the maximum flow and the shortest path trajectories is investigated and an energy-efficient approach is developed as well. Simulation results show that the proposed approach is effective in improving the maximum network flow and the energy-efficient approach can save up to 39% of the energy for the ABSs with marginal degradation in the maximum network flow.

研究の動機と目的

• 公共安全および自然災害救援の場面における一時的空中基地局 (ABS) ネットワークに対する主通信ネットワークからの干渉の課題に対処すること。
• ABS の移動性を活用して、位置を動的に再配置し、干渉を低減するとともに高いデータスルーブラストを維持すること。
• スペクトルグラフ理論と接続性指標を用いて、最大ネットワークフローを達成するように ABS の軌道を最適化すること。
• 最大フローと最短経路軌道のトレードオフを分析することで、エネルギー効率とネットワークパフォーマンスのバランスをとること。
• リアルタイムでの最適 ABS 動作方向の計算を可能にする分散アルゴリズムの開発

提案手法

• 3次元空間における単一およびマルチ・コムmodity最大フロー問題として、ABS の干渉回避問題を定式化する。
• ネットワークのロバストネスとフロー容量を向上させるために、3次元接続性指標として重み付きチーレル定数を導入する。
• グラフラプラシアンのフィードラー固有ベクトルを用いて、最適な ABS 動作方向を導出する。この計算は分散アルゴリズムにより実行される。
• 軌道最適化フレームワークに実用的な ABS 通信モデルと移動制約を統合する。
• エネルギー消費を最小限に抑えつつ高いネットワークフローを維持するエネルギー効率の良い軌道スキームを提案する。
• 中央集権的および分散的 Fiedler ベクトル計算を用いて、分散手法のスケーラビリティと正確性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 移動可能な空中基地局は、どのようにして主通信ネットワークからの干渉を最小限に抑えるために動的に再配置できるか？
• RQ2 マルチ-ABS 認知無線ネットワークにおいて、エンドツーエンドのデータフローを最大化する最適な軌道は何か？
• RQ3 従来の指標と比較して、重み付きチーレル定数はネットワーク接続性と最大フローをどのように向上させるか？
• RQ4 ABS 軌道計画において、エネルギー効率と最大ネットワークフローのトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 分散アルゴリズムは、中央集権的計算と比較して最小限の性能損失で最適な ABS 動作方向を効果的に計算できるか？

主な発見

• 提案手法は、従来のチーレル定数に比べ、重み付きチーレル定数を用いることで最大ネットワークフローを約150%向上させる。
• 十分な反復回数を用いた場合、Fiedler ベクトルを計算する分散アルゴリズムの性能は中央集権的手法と区別がつかない。
• 高度制限がない状況では、ABS がゼロ高度に移動する可能性があるが、これは現実的ではない。最小高度20メートルの制約を課すと、フローが0.023低下する。
• エネルギー効率の良い軌道スキームにより、最大フロー軌道と比較して、ABS のエネルギー消費を最大39%削減できるが、ネットワークフローへの影響は最小限である。
• 最大フロー軌道は、最短経路軌道と比較して、一時的かつ顕著でないネットワークフローの低下を引き起こすにとどまる。
• 最適経路から離れている ABS は、最大39%のエネルギーを節約できるが、中心付近にいる ABS は、より短く非効率な経路のため、節約量が少なく（最低11%）なる。