[論文レビュー] Multi-Beam UAV Communication in Cellular Uplink: Cooperative Interference Cancellation and Sum-Rate Maximization

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

UAV Applications and Optimization参考文献 20被引用数 45

ひとこと要約

本論文は協調的干渉キャンセル戦略を提案し、セルラーネットワークにおける多ビームUAV上りリンクで占有GBSを干渉制約下で保護しつつUAV総和速度を最大化し、高SNRでのDoFを分析する。

ABSTRACT

Integrating unmanned aerial vehicles (UAVs) into the cellular network as new aerial users is a promising solution to meet their ever-increasing communication demands in a plethora of applications. Due to the high UAV altitude, the channels between UAVs and the ground base stations (GBSs) are dominated by the strong line-of-sight (LoS) links, thus severe interference may be generated to/from the GBSs in the uplink/downlink, which renders the interference management with coexisting terrestrial and aerial users a more challenging problem to solve. In this paper, we study the uplink communication from a multi-antenna UAV to a set of GBSs in its signal coverage region. Among these GBSs, we denote available GBSs as the ones that do not serve any terrestrial users at the assigned resource block (RB) of the UAV, and occupied GBSs as the rest that are serving their respectively associated terrestrial users in the same RB. We propose a new cooperative interference cancellation strategy for the multi-beam UAV uplink communication, which aims to eliminate the co-channel interference at each of the occupied GBSs and in the meanwhile maximize the sum-rate to the available GBSs. Specifically, the multi-antenna UAV sends multiple data streams to selected available GBSs, which in turn forward their decoded data streams to their backhaul-connected occupied GBSs for interference cancellation. To draw useful insights, the maximum degrees-of-freedom (DoF) achievable by the multi-beam UAV communication for sum-rate maximization in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime is first characterized, subject to the stringent constraint that all the occupied GBSs do not suffer from any interference in the UAV's uplink transmission. Then, based on the DoF-optimal design, the achievable sum-rate at finite SNR is maximized, subject to given maximum allowable interference power constraints at each occupied GBS.

研究の動機と目的

• セルラーユー対応UAV上りリンクを動機づけて、UAVペイロードと制御信号の高データレート要求を満たす。
• 隣接GBS間のバックホール接続を活用した協調的干渉キャンセル戦略を開発する。
• 干渉制約下でのUAV上りリンクの最大DoFを特徴づける。
• DoFガイド付きビームフォーミング設計を用いて有限SNRでUAV総和速率を最大化する。
• 認知ビームフォーミング、NOMA、CoMPなどのベンチマークと比較する。

提案手法

• M個のアンテナを持つUAVがN個のGBSへ送信するモデルを構築し、GBSを占有グループと利用可能グループに分割する。
• 利用可能GBSがUAVストリームをデコードし、干渉キャンセルのために接続された占有GBSへ転送する協調的干渉キャンセルを提案する。
• データストリームJ、アソシエーションΛj、ビームフォーマ(wj)、レートRjを結合設計した干渉温度制約下の総和速率最大化問題を定式化する。
• バックホール支援によるキャンセル下で、ゼロ干渉制約の下で実現可能なJを最大化するための高SNR領域でのDoF解析を実施する。
• DoF最適アソシエーションに導かれた有限SNRビームフォーミング設計を逐次凸近似で開発する。
• 認知ビームフォーミング、NOMA、CoMPベンチマークと比較する数値結果を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 占有GBS内の terrestrial uplinkを保護しつつ、協調的干渉キャンセルによってUAV上りリンクの総和速率をいかに最大化するか？
• RQ2 干渉制約とバックホール支援キャンセルの下で多ビームUAV上りリンクの最大DoFはいくつか？
• RQ3 バックホールベースの干渉キャンセルを可能にするように、データストリームを利用可能GBSへどう割り当てるべきか？
• RQ4 干渉温度制約下で実現性の高い近似最適な有限SNRビームフォーミング戦略は何か？

主な発見

• 協調干渉キャンセル戦略は、認知ビームフォーミングやNOMAよりも干渉制約下でより多くのデータストリームを伝送可能にする。
• DoF解析は、占有GBSでゼロ干渉要件を満たす条件下で提案戦略の方がベンチマークよりも高いDoFを示す。
• DoF最適データストリームアソシエーションが、逐次凸近似による実用的な有限SNRビームフォーミング設計を導く。
• 有限SNRビームフォーミングアルゴリズムは、シミュレーションにおいて認知ビームフォーミングよりも総和速率を大きく改善する。
• 数値結果はDoFの洞察を検証し、ベンチマーク方式に対する性能向上を示す。