[論文レビュー] Throughput Maximization for Wireless Communication systems with Backscatter- and Cache-assisted UAV Technology

Dinh Hieu Tran, Sumit Gautam+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 44被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、線形および非線形エネルギー効率モデルの下で、時間分割比、バックスキャター係数、およびUAVの軌道を共同最適化することにより、無線ネットワークにおけるスループットを最大化するバックスキャターおよびキャッシュ支援型UAV（UB）システムを提案する。著者らは、KKT条件と逐次凸近似（SCA）を用いた効率的な交互アルゴリズムを開発し、ベンチマークと比較して顕著なスループット向上を達成した。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicle (UAV) has been widely adopted in wireless systems due to its flexibility, mobility, and agility. Nevertheless, a limited onboard battery greatly hinders UAV to prolong the serving time from communication tasks that need a high power consumption in active RF communications. Fortunately, caching and backscatter communication (BackCom) are appealing technology for energy efficient communication systems. This motivates us to investigate a wireless communication network with backscatter- and cache-assisted UAV technology. We assume a UAV with a cache memory is deployed as a flying backscatter device (BD), term the UAV-enabled BD (UB), to relay the source's signals to the destination. Besides, the UAV can harvest energy from the source's RF signals and then utilizes it for backscattering information to the destination. In this context, we aim to maximize the total throughput by jointly optimizing the dynamic time splitting (DTS) ratio, backscatter coefficient, and the UB's trajectory with caching capability at the UB corresponding to linear energy harvesting (LEH) and non-linear energy harvesting (NLEH) models. These formulations are troublesome to directly solve since they are mixed-integer non-convex problems. To find solutions, we decompose the original problem into three subproblems, whereas we first optimize the DTS ratio for a given backscatter coefficient and UB's trajectory, followed by the backscatter coefficient optimization for a given DTS ratio and UB's trajectory, and the UB's trajectory is finally optimized for a given DTS ratio and backscatter coefficient. Finally, the intensive numerical results demonstrate that our proposed schemes achieve significant throughput gain in comparison to the benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 高出力のアクティブRF通信システムにおけるUAVの限られたバッテリーライフを解決すること。
• UAVにバックスキャター通信とキャッシュを統合することで、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させること。
• 動的時間分割と軌道最適化を用いて、実用的なエネルギー効率制約下でシステムスループットを最大化すること。
• UAV支援ネットワークにおける非凸混合整数最適化問題に対する低複雑度アルゴリズムの開発

提案手法

• 線形エネルギー効率モデル（LEH）および非線形エネルギー効率モデル（NLEH）の下で、スループット最大化のための混合整数非凸最適化問題を定式化する。
• 問題を3つの部分問題に分解する：時間分割比、バックスキャター係数、UAV軌道最適化。これらは交互に最適化される。
• カールシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を用いて、時間分割比およびバックスキャター係数の閉形式最適解を導出する。
• 非凸なUAV軌道部分問題を解くために逐次凸近似（SCA）を適用する。
• 3つの変数を協調的かつ反復的に最適化するために、ブロック座標降下（BCD）を採用する。
• 現実的なチャネルおよびエネルギー制約下で、LEHおよびNLEHモデルの両方で手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高出力RF送信を伴う無線通信システムにおいて、UAVをどのようにしてよりエネルギー効率的にすることができるか？
• RQ2 スループットを最大化するための最適な時間分割、バックスキャター係数、およびUAV軌道の共同設計は何か？
• RQ3 線形および非線形エネルギー効率モデルは、バックスキャター支援型UAVネットワークの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 主要なシステムパラメータについて、閉形式解を導出することで計算複雑度を低減できるか？
• RQ5 UAVネットワークにキャッシュとバックスキャター通信を統合することで、どの程度のスループット向上が達成可能か？

主な発見

• 提案アルゴリズムは、線形および非線形エネルギー効率モデルの両方において、ベンチマーク手法と比較して顕著なスループット向上を達成した。
• 最適な時間分割比およびバックスキャター係数についての閉形式式が導出され、計算時間の大幅な削減が達成された。
• 逐次凸近似（SCA）技術により、非凸制約下でも効率的な軌道最適化が可能になった。
• 時間分割、バックスキャター係数、およびUAV軌道の共同最適化により、より高いスペクトル効率およびエネルギー効率が実現された。
• 非線形エネルギー効率モデル下では、線形モデルと比較してシステム性能が顕著に向上した。
• シミュレーション結果により、提案された交互アルゴリズムの収束性および実用的UAV展開シナリオにおける有効性が確認された。