[論文レビュー] Network Formation in the Sky: Unmanned Aerial Vehicles for Multi-hop Wireless Backhauling

Ursula Challita, Walid Saad|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 16被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、小型基地局（SBS）をコアネットワークに接続するための、無人航空機（UAV）による自律的で分散型のマルチホップ空中バックホールネットワークを形成するネットワーク形成ゲームを提案する。仮想力場を用いた短視眼的ネットワーク形成アルゴリズムにより、UAVは安定なツリー構造に自己組織化し、15台のUAVネットワークにおいて、直接接続のスターフォームトロジーと比較して、最大40％高いデータレートと41％低い遅延を達成する。

ABSTRACT

To reap the benefits of dense small base station (SBS) deployment, innovative backhaul solutions are needed in order to manage scenarios in which high-speed ground backhaul links are either unavailable or limited in capacity. In this paper, a novel backhaul scheme that utilizes unmanned aerial vehicles (UAVs) as an on-demand flying network linking ground SBSs and the core network is proposed. The design of the aerial backhaul scheme is formulated as a network formation game among UAVs that seek to form a multi-hop backhaul network in the air. To solve this game, a myopic network formation algorithm which reaches a pairwise stable network upon convergence, is introduced. The proposed network formation algorithm enables the UAVs to form the necessary multi-hop backhaul network in a decentralized manner thus adapting the backhaul architecture to the dynamics of the network. Simulation results show that the proposed network formation algorithm achieves substantial performance gains in terms of both rate and delay reaching, respectively, up to 40% and 41% compared to the formation of direct communication links with the gateway node (for a network with 15 UAVs).

研究の動機と目的

• 密集したSBS展開における信頼性が低いか、容量が限られた地上バックホールの課題に対処すること。
• 中央集権的な制御なしに、UAVが安定したマルチホップ空中バックホールネットワークを自律的に形成できること。
• 分散型で利便性に基づくリンク形成を通じて、データレートと遅延の両面でバックホール性能を最適化すること。
• ペアワイズに安定したネットワークトポロジーに収束することを保証する分散型アルゴリズムの設計。
• 仮想力場による動的UAV移動を統合し、リンク品質とネットワーク安定性を向上させること。

提案手法

• 各UAVを自己利益志向のエージェントとして扱い、自身の利便性を最適化するネットワーク形成ゲームとしてバックホール形成を定式化する。
• 利便性の増加に基づいてリンクを逐次形成または切断できる短視眼的ネットワーク形成アルゴリズムを導入する。
• 空対空（A2A）および空対地上（A2G）リンク品質の向上を目的に、UAVの位置を動的に調整する仮想力場を用いる。
• SBSとコアネットワーク間の双方向通信をサポートするため、周波数分割多重（FDD）モデルを採用する。
• 達成可能なレート、ホップ数、トラフィック負荷に基づいて利便性を定義し、より短く高帯域の経路を優遇する。
• ペアワイズに安定したネットワーク構造への収束を保証し、長期的な接続性とパフォーマンスを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上バックホールが存在しない状況下で、UAVが自律的に安定したマルチホップバックホールネットワークを構築し、SBSをコアネットワークに接続する方法は何か？
• RQ2 分散型アルゴリズムは、個々のUAVの利便性を最適化しつつ、ネットワーク全体の接続性とパフォーマンスを保証する仕組みは何か？
• RQ3 仮想力場の導入が、得られるネットワークトポロジーにおけるUAVの移動行動とリンク品質に与える影響は何か？
• RQ4 提案されたマルチホップUAVバックホールは、直接接続のスターフォームトロジーと比較して、データレートと遅延の両面でどの程度のパフォーマンス向上を達成できるか？
• RQ5 ネットワークサイズ（UAV数）が、提案アルゴリズムの収束時間と安定性に与える影響は何か？

主な発見

• 提案されたネットワーク形成アルゴリズムは、15台のUAVネットワークにおいて、直接接続のスターフォームトロジーと比較して、最大40％高い平均データレートを達成する。
• 同じ条件下で、アルゴリズムは平均エンドツーエンド遅延を最大41％低減する。
• ネットワークサイズに伴う遅延の増加率は、スターフォームトロジーと比較して、12.6％に抑えられる（スターフォームトロジーは29.3％）ため、より優れたスケーラビリティを示す。
• アルゴリズムは安定したペアワイズに安定したネットワークに収束し、収束時間はUAV数（5〜20台）に応じて4〜170イテレーションの範囲で変動する。
• UAVは、交通量が高くホップ数の多い短距離リンクを避け、ホップ数が少なく混雑度が低い長距離リンクを好む傾向があり、全体の利便性とパフォーマンスが向上する。
• 仮想力場はUAVを最適な位置に誘導し、A2AおよびA2Gリンク品質を向上させ、安定したネットワーク形成を可能にした。