[論文レビュー] Joint Location and Power Optimization for THz-enabled UAV Communications.

Luyao Xu, Ming Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 10被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、上行リンクおよび下行リンクの伝送遅延を最小化するために、テラヘルツ（THz）帯のUAV通信における共同UAV軌道と電力割り当て最適化フレームワークを提案する。反復的にUAV位置とユーザー電力制御サブ問題を交互に解くアルゴリズムにより、固定電力ベースラインと比較して最大67.3％、固定位置ベースラインと比較して最大52.5％の遅延低減を達成する。

ABSTRACT

In this paper, the problem of unmanned aerial vehicle (UAV) deployment and power allocation is investigated for a UAV-assisted wireless system operating at terahertz (THz) frequencies. In the studied model, one UAV can service ground users using the THz frequency band. However, the highly uncertain THz channel will introduce new challenges to the UAV location and user power allocation optimization problems. Therefore, it is necessary to design a novel framework to deploy UAVs in the THz wireless systems. This problem is formally posed as an optimization problem whose goal is to minimize the sum uplink and downlink transmission delays between the UAV and the ground users by jointly optimizing the deployment of the UAV and the transmit power of the users. To tackle this nonconvex delay minimization problem, an alternating algorithm is proposed while iteratively solving two subproblems: location optimization subproblem and power control subproblem. Simulation results show that the proposed algorithm can reduce the transmission delay by up to $67.3\%$ and $52.5\%$ respectively compared to baseline algorithms that fix transmit power control or UAV location.

研究の動機と目的

• UAV支援無線システムにおける高い不確実性を示すTHzチャネルの課題に対処する。
• エンドツーエンドの伝送遅延を最小化するために、UAV展開とユーザー上行リンク／下行リンクの電力割り当てを最適化する。
• THz伝搬制約下でUAV軌道と電力制御を共同で取り扱う画期的なフレームワークを開発する。
• THz対応UAVネットワークにおける遅延最小化問題の非凸性を克服する。

提案手法

• 全上行リンクおよび下行リンク伝送遅延を最小化する目的関数として、UAV位置と電力割り当ての共同最適化問題を非凸最適化問題として定式化する。
• UAV位置最適化とユーザー電力制御最適化の2つのサブ問題を交互に反復的に解く、交替的アルゴリズムを提案する。
• 位置および電力サブ問題における非凸制約を扱うために、逐次凸近似（SCA）技術を用いる。
• 電力割り当てサブ問題における遅延関数の非凸性を管理するためにペナルティベースの手法を適用する。
• チャネル状態情報に基づいてUAV位置とユーザー送信電力を反復的に精緻化することで収束を保証する。
• 路損失、シャドウイング、分子吸収効果を考慮するため、THz伝搬の統計的チャネルモデルを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THz帯UAVネットワークにおけるUAV位置とユーザー電力割り当ての共同最適化は、伝送遅延にどのように影響を与えるか？
• RQ2 固定位置または固定電力ベースライン方式と比較して、反復的交替的アルゴリズムの性能向上はどの程度か？
• RQ3 THz帯の固有の伝搬特性は、UAV展開および電力制御戦略にどのように影響を与えるか？
• RQ4 THz通信の高い路損失および指向性ビームフォーミング制約下でも、提案されたアルゴリズムは安定解に収束可能か？

主な発見

• 提案された交替的アルゴリズムは、ユーザー送信電力を固定するベースラインと比較して最大67.3％の遅延低減を達成する。
• アルゴリズムは、UAV位置を固定するベースラインと比較して、伝送遅延を最大52.5％まで低減する。
• UAV位置または電力制御の単独最適化よりも、共同最適化が著しく優れた性能を示す。
• アルゴリズムは数回の反復内で収束することが確認され、リアルタイム展開における実用的妥当性を示している。
• 高い路損失および高い分子吸収が特徴のTHz環境において、性能向上が顕著に現れる。
• 適応的電力制御および位置制御により、THz帯におけるチャネル不確実性の影響を効果的に軽減できる。