[論文レビュー] UAV-Aided Cellular Offloading: A Potential Solution to Hot-Spot Issue in 5G

Jiangbin Lyu, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

UAV Applications and Optimization被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、5Gホットスポットにおけるセルエッジユーザーのトラフィックをオフロードするために、空中基地局を用いたUAV支援ハイブリッドセルラー網を提案する。直交的および共有スペクトルアクセスの両方の条件下で、UAVの軌道、帯域幅割り当て、ユーザー分割を共同最適化することにより、従来のネットワークと比較して最小ユーザーThroughputおよび空間スループットが顕著に向上する。スペクトル再利用により、わずかな複雑さの増加でさらなる利得が得られる。

ABSTRACT

In conventional terrestrial cellular networks, mobile terminals (MTs) at the cell edge often pose a performance bottleneck due to their long distances from the serving ground base station (GBS), especially in hotspot period when the GBS is heavily loaded. This paper proposes a new hybrid network architecture by leveraging the use of unmanned aerial vehicle (UAV) as an aerial mobile base station, which flies cyclically along the cell edge to offload data traffic for cell-edge MTs. We aim to maximize the minimum throughput of all MTs by jointly optimizing the UAV's trajectory, bandwidth allocation and user partitioning. We first consider orthogonal spectrum sharing between the UAV and GBS, and then extend to spectrum reuse where the total bandwidth is shared by both the GBS and UAV with their mutual interference effectively avoided. Numerical results show that the proposed hybrid network with optimized spectrum sharing and cyclical multiple access design significantly improves the spatial throughput over the conventional GBS-only network; while the spectrum reuse scheme provides further throughput gains at the cost of slightly higher complexity for interference control. Moreover, compared to the conventional small-cell offloading scheme, the proposed UAV offloading scheme is shown to outperform in terms of throughput, besides saving the infrastructure cost.

研究の動機と目的

• 過負荷な5Gネットワークにおけるセルエッジユーザーに起因する性能ボトルネックを解消すること。
• 従来のスモールセル展開と比較して、バックハネルおよびインfraコストを低減すること。
• UAVの軌道、帯域幅、ユーザー分割の共同最適化により、すべての移動端末における最小スループットを最大化すること。
• UAVと地上基地局間の直交的およびスペクトル再利用共有戦略の両方を評価すること。

提案手法

• UAVを空中移動基地局として統合したハイブリッドネットワークアーキテクチャを提案し、セルエッジを周期的に飛行する。
• 最小ユーザーThroughputを最大化するために、UAVの軌道、帯域幅割り当て、ユーザー分割を最適化する。
• 直交多重アクセス（OMA）を前提としたシステムモデルを構築し、その後、干渉低減を伴う非直交スペクトル再利用に拡張する。
• 負荷バランスと公平性向上を目的に、軌道とリソース割り当ての共同最適化を実施する。
• 干渉に配慮した設計を採用し、スペクトル再利用シナリオにおける相互干渉を管理する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAV支援オフロードは、従来のGBS単体ネットワークと比較して、最小ユーザーThroughputをどのように向上させるか？
• RQ2 UAVと地上基地局間のスペクトル再利用により、どのような性能向上が達成可能か？
• RQ3 提案された軌道およびリソース割り当て最適化は、従来のスモールセルオフロードと比較して、スループットおよびコストの観点でどのように差をつけるか？
• RQ4 スペクトル再利用におけるスペクトル効率の向上とシステム複雑さのトレードオフは何か？

主な発見

• 提案されたUAV支援ネットワークは、従来のGBS単体ネットワークと比較して、空間スループットが顕著に向上する。
• スペクトル再利用は、直交アクセスと比較してさらなるスループット向上をもたらすが、干渉管理の複雑さがわずかに増加する。
• UAVの軌道、帯域幅、ユーザー分割の共同最適化により、最小ユーザーThroughputが最大化され、公平性が向上する。
• UAVオフロード方式は、スループットおよびインfraコスト効率の両面で、従来のスモールセルオフロードを上回る性能を発揮する。