[論文レビュー] Exploiting NOMA for Multi-Beam UAV Communication in Cellular Uplink

Liang Liu, Shuowen Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、衛星通信の上行リンクにおいて、地上基地局（GBS）と通信する多アンテナドローン（UAV）を対象として、NOMAに基づくマルチビーム送信方式を提案する。この方式により、干渉を回避するため、一部の共周波数GBSではドローン信号を復号・キャンセルし、他のGBSではゼロフォースビームフォーミングにより干渉を無効化する。主な貢献は、干渉回避制約下での信頼性の高いデータストリームの理論的限界を示す閉形式の度数自由度（DoF）$ J^* = \floor{N/(M-1)} $ の特定である。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are expected to be an important new class of users in the fifth generation (5G) and beyond 5G cellular networks. In particular, there are emerging UAV applications such as aerial photograph and data relaying that require high-speed communications between the UAVs and the ground base stations (GBSs). Due to the high UAV altitude, the strong line-of-sight (LoS) links generally dominate the channels between the UAVs and GBSs, which brings both opportunities and challenges in the design of future wireless networks supporting both terrestrial and aerial users. Although each UAV can associate with more GBSs for communication as compared to terrestrial users thanks to the LoS-dominant channels, it also causes/suffers more severe interference to/from the terrestrial communications in the uplink/downlink. This paper studies the uplink communication from a multi-antenna UAV to a set of GBSs within its signal coverage by considering a practical yet challenging scenario when the number of antennas at the UAV is smaller than that of co-channel GBSs. To achieve high-rate transmission yet avoid interfering with any of the existing terrestrial communications at the co-channel GBSs, we propose a novel multi-beam transmission strategy by exploiting the non-orthogonal multiple access (NOMA) technique. Specifically, the UAV sends each data stream to a selected subset of the GBSs, which can decode the UAV's signals and then cancel them before decoding the messages of their served terrestrial users, and in the meanwhile nulls its interference at the other GBSs via zero-forcing (ZF) beamforming. To draw essential insight, we first characterize in closed-form the degrees-of-freedom (DoF) under the proposed strategy. Then, we propose an efficient algorithm to maximize the UAV's transmit rate subject to the interference avoidance constraints for protecting the terrestrial users.

研究の動機と目的

• 強いLine-of-Sight（LoS）チャネルによる深刻な共周波数干渉の問題に取り組む。
• ドローンのアンテナ数を超える数のGBSが占有されている場合に、ゼロフォースビームフォーミングが非実行可能になる問題を克服する。
• NOMAと選択的GBSでの干渉キャンセリングを活用し、地上ユーザーへの干渉を保護しながら、高レートのドローン上行リンク送信を可能にする。
• 干渉回避制約下でのドローンスムールート最大化に向けた最大度数自由度（DoF）を同定する。
• 有限SNR領域におけるデータストリーム割り当て、ビームフォーミング、レートの共同最適化を実現する効率的なアルゴリズムを提案する。

提案手法

• 各ドローンデータストリームを、復号・キャンセリングが可能な選択的GBSのサブセットに送信するNOMAベースのマルチビーム送信戦略を提案する。
• 非復号GBSでは干渉を無効化するため、ゼロフォース（ZF）ビームフォーミングを採用し、地上ユーザーへの干渉を回避する。
• ビームフォーミング制約を数式で定式化：$ \bmath{h}_n^H \bmath{w}_j = 0 $ はすべての $ n \notin \bigcup_{i \neq j} \tilde{\boldsymbol{\nu}}_i $ に対して成り立つ。これにより、非復号GBSでの干渉無効化が保証される。
• 無限大SNR領域におけるDoFを $ J^* = \floor{N/(M-1)} $ として導出。ここで $ N $ はGBSの数、$ M $ はドローンアンテナ数を表す。
• 干渉回避およびビームフォーミング制約下でドローンスムールートを最大化する有限SNR領域における共同最適化アルゴリズムを開発する。
• $ J \neq J^* $ の場合、ZFシステムにおける変数数が方程式数を上回ることを保証することで、実行可能なビームフォーミング解を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上ユーザーへの干渉を回避しつつ、ドローンが上行リンクで信頼性を持って送信可能な最大データストリーム数は何か？
• RQ2 NOMAベースのマルチビーム上行リンクシステムにおいて、ドローンアンテナ数と共周波数GBS数の増加が達成可能なDoFに与える影響は何か？
• RQ3 GBSの占有数がドローンアンテナ数を超える場合、ZFビームフォーミングを実行可能にする条件は何か？もし可能であれば、その条件は何か？
• RQ4 干渉制約下で、データストリーム-GBSの関連付けとビームフォーミングをどのように共同最適化すれば、ドローン上行リンクスムールートを最大化できるか？
• RQ5 提案されたNOMAおよびZFビームフォーミング戦略下で、高SNR領域におけるドローン上行リンクスムールートの理論的DoF限界は何か？

主な発見

• ドローン上行リンクスムールートの最大度数自由度（DoF）は、$ J^* = \floor{N/(M-1)} $ であり、無限大SNR領域で閉形式で導出された。
• $ J \neq J^* $ の場合、ZFビームフォーミングの実行可能性は、線形システムにおける変数数が方程式数を上回っているかどうかに依存する。これは $ J \neq J^* $ の場合にのみ保証される。
• $ J \neq J^* $ の場合、独立したRician fadingチャネルの下で、すべてのZF制約を満たす非ゼロのビームフォーミングベクトル $ \bmath{w}_j $ が確率1で存在する。
• 提案されたNOMAベースの戦略により、GBSの占有数がドローンアンテナ数を超える場合、従来のZFオンリーパラダイムに比べてより多くのデータストリームを送信可能になる。
• 数値結果により、提案戦略が従来手法に比べてドローン上行リンクスループットを顕著に向上させることを確認した。
• DoFの結果から、理論的最高の信頼性のあるデータストリーム数は、GBS数とドローンアンテナ数の比によって制限され、$ N/(M-1) $ の床関数として表されることが明らかになった。