[論文レビュー] Optimal Resource Allocation for Multi-UAV Assisted Visible Light Communication

Yihan Cang, Ming Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知能表面（RIS）で強化されたマルチUAV支援可視光通信（VLC）システムの最適リソース割り当てフレームワークを提案する。UAVの配置、RISの位相シフト、ユーザー／RISの関連付けを段階的アルゴリズムで共同最適化することで、RISなしシステムと比較して総UAV送信電力を最大34.85％まで低減し、RIS素子数やRIS数の増加に伴い顕著な利得が得られる。

ABSTRACT

In this paper, the optimization of deploying unmanned aerial vehicles (UAVs) over a reconfigurable intelligent surfaces (RISs)-assisted visible light communication (VLC) system is studied. In the considered model, UAVs are required to simultaneously provide wireless services as well as illumination for ground users. To meet the traffic and illumination demands of the ground users while minimizing the energy consumption of the UAVs, one must optimize UAV deployment, phase shift of RISs, user association and RIS association. This problem is formulated as an optimization problem whose goal is to minimize the transmit power of UAVs via adjusting UAV deployment, phase shift of RISs, user association and RIS association. To solve this problem, the original optimization problem is divided into four subproblems and an alternating algorithm is proposed. Specifically, phases alignment method and semidefinite program (SDP) algorithm are proposed to optimize the phase shift of RISs. Then, the UAV deployment optimization is solved by the successive convex approximation (SCA) algorithm. Since the problems of user association and RIS association are integer programming, the fraction relaxation method is adopted before using dual method to find the optimal solution. For simplicity, a greedy algorithm is proposed as an alternative to optimize RIS association. The proposed two schemes demonstrate the superior performance of 34:85% and 32:11% energy consumption reduction over the case without RIS, respectively, through extensive numerical study.

研究の動機と目的

• 地上ユーザーの通信および照明要件を満たすマルチUAV VLCネットワークにおけるエネルギー消費の最小化という課題に対処すること。
• 特に遮蔽された屋外環境において信号カバレッジとエネルギー効率を向上させるために、RISをUAV支援VLCシステムに統合すること。
• QoSおよび照明制約を満たしつつ、総送信電力を最小化するため、UAVの配置、RISの位相シフト、ユーザー関連付け、RIS関連付けを共同最適化すること。
• 非凸かつ混合整数性を示す最適化問題を効果的に扱えるスケーラブルで反復的なアルゴリズムの開発。
• 異なる構成におけるRIS導入の性能向上を、エネルギー削減および計算効率の観点から評価すること。

提案手法

• 共同最適化問題を4つの部分問題に分解：UAV配置、RIS位相シフト、ユーザー関連付け、RIS関連付け。
• VLCに固有の非負かつ実数値信号制約下で、RIS位相シフトを最適化するために位相整合法と半定値計画法（SDP）を適用。
• 非凸的UAV配置最適化問題を反復的に解くために、逐次凸近似（SCA）アルゴリズムを用いる。
• 整数プログラミングに基づくユーザーおよびRIS関連付け問題を解くために、分式緩和とその後の双対分解を実装。
• 計算コストを低減するための低複雑度代替手法として、グリーディアルゴリズムをRIS関連付けに提案。
• 変数グループを交互に更新しながら他の変数を固定する交替最適化フレームワークを実装し、部分最適解への収束を保証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISを備えたマルチUAV VLCシステムにおいて、ユーザーのトラフィックおよび照明要件を満たしつつ、総送信電力を最小化するためのUAVの最適配置はどのように実現できるか？
• RQ2 RISの導入、特にRIS数および反射素子数が、UAV-VLCネットワークにおけるシステムのエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ3 RISの位相シフト、UAVの位置、ユーザー関連付けを共同最適化することで、従来のRISなしまたは非最適化設定と比較して総送信電力にどのような影響を与えるか？
• RQ4 グローバル最適化とグリーディアプローチなどの異なるRIS関連付け戦略を用いる場合、エネルギー効率と計算複雑度の間にはどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ5 UAV-RIS-ユーザー経路を介して中継路を形成することで、遮蔽された屋外VLC環境においてRISがLOSに類似したリンクを有効に実現できるか？

主な発見

• 提案手法のScheme Iは、10名の地上ユーザーを対象とした場合、RISなしベースラインと比較して最大34.85％の総送信電力削減を達成した。
• 同じシナリオ下でScheme IIは最大32.11％の総送信電力削減を達成し、計算コストを低く抑えながら優れた性能を示した。
• 反射素子5個を備えたRISを1つ追加するだけで、位相シフト最適化なしでも、平均でScheme Iでは23.01％、Scheme IIでは18.58％の総送信電力削減が達成された。
• RISの数および1RISあたりの反射素子数が増加するにつれて総送信電力が低下し、RIS導入のスケーラビリティと利点が裏付けられた。
• Scheme Iはエネルギー効率でScheme IIを上回るが、実行時間は長く（15ユーザーの場合11.23秒対5.03秒）、時間制限のあるアプリケーションにはScheme IIが好ましい。
• 最適なUAV位置は、通常、関連ユーザーおよびRISの周辺に集中しており、再割り当てにより総電力を削減できる場合、1台のUAVが無効化（アイドル）になるケースも存在し、動的負荷分散が実現している。