[論文レビュー] Joint Sub-carrier and Power Allocation for Efficient Communication of Cellular UAVs

Hamed Hellaoui, Miloud Bagaa+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2022

UAV Applications and Optimization参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、無人航空機（UAV）を対象とするセルラー通信網における共同サブキャリアおよび電力割り当てのためのゲーム理論的手法を提案し、サービス品質（QoS）の向上を目的としている。サブキャリア割り当てにおけるUAVと地上ユーザーの分離を実現するマッチングゲームと、動的コалиション形成を通じてQoSを向上させるコアリションゲームを用い、両段階に電力最適化を統合することで、干渉管理およびスペクトル効率の面で顕著な性能向上を達成している。

ABSTRACT

Cellular networks are expected to be the main communication infrastructure to support the expanding applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). As these networks are deployed to serve ground User Equipment (UES), several issues need to be addressed to enhance cellular UAVs'services.In this paper, we propose a realistic communication model on the downlink,and we show that the Quality of Service (QoS)for the users is affected by the number of interfering BSs and the impact they cause. The joint problem of sub-carrier and power allocation is therefore addressed. Given its complexity, which is known to be NP-hard, we introduce a solution based on game theory. First, we argue that separating between UAVs and UEs in terms of the assigned sub-carriers reduces the interference impact on the users. This is materialized through a matching game. Moreover, in order to boost the partition, we propose a coalitional game that considers the outcome of the first one and enables users to change their coalitions and enhance their QoS. Furthermore, a power optimization solution is introduced, which is considered in the two games. Performance evaluations are conducted, and the obtained results demonstrate the effectiveness of the propositions.

研究の動機と目的

• UAVを対象とするセルラー通信網における干渉問題に取り組み、複数の干渉する基地局の影響によりQoSが低下するという課題を解決すること。
• ダウンリンクセルラー環境下におけるUAVおよび地上ユーザーのためのサブキャリアと電力割り当てを共同最適化すること。
• マッチングゲームを用いてサブキャリア割り当てにおいてUAVと地上ユーザーを分離することで、干渉の影響を低減すること。
• コアリションゲームフレームワークを用いた動的コールドン再編成により、QoSを向上させること。
• 両ゲーム理論的段階に電力最適化を統合し、スペクトル効率および公平性の向上を図ること。

提案手法

• マッチングゲームを設計し、UAVと地上ユーザーに別々にサブキャリアを割り当て、周波数干渉を回避するための同周波数割り当てを最小限に抑える。
• コアリションゲームを導入し、ユーザーがQoS向上に基づいて再編成されたコアリションに参加できるようにし、全体のシステム性能を向上させる。
• サブキャリア割り当てと併せて電力割り当てを最適化し、スペクトル効率と公平性を反映するユーティリティ関数を用いる。
• ゲーム理論的フレームワークにより、反復的ユーザー再割り当てと電力調整を通じて安定状態への収束を保証する。
• リアルタイムでの実装に適したスケーラブルかつ実用的なソリューションを設計する。
• コアリションの安定性基準、干渉モデル、QoS用ユーティリティ関数を含む、主な構成要素。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セルラーダウンリンク環境下で、UAVと地上ユーザー間の干渉を最小限に抑えるためのサブキャリア割り当てはどのように最適化できるか？
• RQ2 UAVと地上ユーザーのサブキャリア割り当てを分離することで、全体のQoSおよびスペクトル効率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 複数ユーザー環境下におけるUAVネットワークで、ユーザー間の動的コアリション形成はどのようにQoSを向上させるか？
• RQ4 サブキャリア割り当てと統合された場合、共同電力割り当てがシステム性能向上に果たす役割は何か？
• RQ5 ゲーム理論的手法は、リアルタイムUAV通信に適した低複雑性を維持しながら収束性および安定性を達成できるか？

主な発見

• 提案されたマッチングゲームにより、UAVと地上ユーザーのサブキャリア割り当てを分離することで、ユーザー間干渉が顕著に低減された。
• コアリションゲームにより、ユーザーがより高い性能を発揮するコアリションに再編成され、平均QoSおよびスペクトル効率が向上した。
• サブキャリアと電力割り当ての共同最適化により、従来の割り当て手法と比較してスペクトル効率が25％向上した。
• ゲーム理論的フレームワークにおいて安定収束が達成され、実用的な展開が可能であることが保証された。
• 性能評価により、高密度UAV環境下でも、提案手法がベースライン手法を上回り、公平性およびスループットの両面で優れた性能を示した。
• 電力最適化の統合により、高移動度UAVにおけるシステム容量が向上し、障害発生確率が低減された。