[論文レビュー] Intelligent User Clustering and Robust Beamforming Design for UAV-NOMA Downlink

Yanqing Xu, Fang Fang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、不完全なチャネル状態情報（CSI）下でのUAV-NOMA下行リンクシステムにおける知能的なユーザクラスタリングおよびロバストビームフォーミング設計を提案する。k-means++に基づくクラスタリングアルゴリズムと、理論的ランク1解の保証を有する半定値緩和（SDR）に基づくビームフォーミング手法を用い、分散型で低コストかつ高効率な送信を実現するとともに、CSIの不確実性下でもQoSを確保する。

ABSTRACT

In this work, we consider a downlink NOMA network with multiple single-antenna users and multi-antenna UAVs. In particular, the users are spatially located in several clusters by following the Poisson Cluster Process and each cluster is served by a hovering UAV with NOMA. For practical considerations, we assume that only imperfect CSI of each user is available at the UAVs. Based on this model, the problem of joint user clustering and robust beamforming design is formulated to minimize the sum transmission power, and meanwhile, guarantee the QoS requirements of users. Due to the integer variables of user clustering, coupling effects of beamformers, and infinitely many constraints caused by the imperfect CSI, the formulated problem is challenging to solve. For computational complexity reduction, the original problem is divided into user clustering subproblem and robust beamforming design subproblem. By utilizing the users' position information, we propose a k-means++ based unsupervised clustering algorithm to first deal with the user clustering problem. Then, we focus on the robust beamforming design problem. To attain insights on solving the robust beamforming design problem, we firstly investigate the problem with perfect CSI, and the associated problem is shown can be solved optimally. Secondly, for the problem in the general case with imperfect CSI, an SDR based method is proposed to produce a suboptimal solution efficiently. Moreover, we provide a sufficient condition under which the SDR based approach can guarantee to obtain an optimal rank-one solution, which is theoretically analyzed. Finally, an alternating direction method of multipliers based algorithm is proposed to allow the UAVs to perform robust beamforming design in a decentralized fashion efficiently. Simulation results demonstrate the efficacy of the proposed algorithms and transmission scheme.

研究の動機と目的

• 不完全なCSIを伴うUAV-NOMA下行リンクシステムにおける、ユーザクラスタリングとロバストビームフォーミングの共同設計問題に対処する。
• CSIの不確実性下でも全ユーザのQoSを保証しつつ、総送信電力を最小化する。
• 共同問題をユーザクラスタリングとビームフォーミングのサブ問題に分解することで、計算複雑度を低減する。
• 交替方向乗数法（ADMM）アルゴリズムを用いて、中央集権的制御なしに分散型ビームフォーミング設計を可能にする。
• SDRベースのビームフォーミング解がランク1のビームフォーマーを達成する理論的条件を提供し、実用的応用を保証する。

提案手法

• ユーザの位置情報を利用したk-means++に基づく非教師ありクラスタリングアルゴリズムを用い、ユーザクラスタを形成する。
• 元の混合整数非凸問題を、ユーザクラスタリングとロバストビームフォーミング設計の2つのサブ問題に分解する。
• 不確実性を伴うCSIの影響を考慮し、ロバストビームフォーミング問題を半定値緩和（SDR）により凸最適化問題に変換するが、制約が無限個存在する。
• S-レマを用いてロバスト制約を線形行列不等式（LMI）に再定式化し、効率的なSDRベースの解法を可能にする。
• SDR解がランク1であることが保証される十分条件を導出。これにより、実装可能なビームフォーマーが得られる。
• ADMMに基づく分散型アルゴリズムを提案。UAVが中央集権的制御なしに独立してビームフォーマーを計算可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的に分散したユーザを有するUAV-NOMAシステムにおいて、どのように効率的なユーザクラスタリングを実現できるか？
• RQ2 マルチUAV・マルチユーザNOMA下行リンクシステムにおいて、不完全なCSI下での最適ロバストビームフォーミング設計は何か？
• RQ3 SDRベースのビームフォーミング解がランク1のビームフォーマーを達成する条件は何か？実用的送信を保証する。
• RQ4 信号伝送のオーバーヘッドを低減するために、どのように分散型ビームフォーミング設計を実現できるか？
• RQ5 不完全なCSI下で、提案手法の性能向上（合計電力削減およびQoSの保証）はどの程度か？

主な発見

• k-means++に基づくクラスタリングアルゴリズムは、空間的分布に基づくユーザのグループ化に効果的であり、クロスクラスタ干渉を低減する。
• SDRベースのビームフォーミング設計は、十分条件を満たす場合に理論的保証のもとでランク1のビームフォーマーを達成する部分最適解を提供する。
• ランク1解の十分条件は、KKT条件およびビームフォーマーと双対変数の構造に基づいて導出された。
• ADMMに基づく分散型アルゴリズムにより、UAV間で最小限の協調作業で効率的な分散ビームフォーミング計算が可能となる。
• シミュレーション結果から、提案手法が不完全なCSI下でも顕著な合計電力削減を達成し、QoS要件を維持していることが確認された。
• ロバストビームフォーミング設計により、特に高移動性または高ジターレートのUAV環境下で、CSI誤差に起因する性能劣化が効果的に抑制された。