[論文レビュー] UAV Data Collection over NOMA Backscatter Networks: UAV Altitude and Trajectory Optimization

Amin Farajzadeh, Özgür Erçetin+1 more|Sabanci University|Feb 8, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、成功裏に復号されたビット数を最大化し、UAVの飛行時間を最小化することを目的として、パワー・ドメインNOMAを用いた最適化されたUAV支援バックスキャター通信ネットワークを提案する。UAVの高度と軌道を同時に最適化することで、各ネットワーク構成に対して最適な高度が存在することを実証し、特にSIC性能の向上と干渉の低減を図るために、反射係数を変動させることで、スループットが顕著に向上することを示している。

ABSTRACT

The recent evolution of ambient backscattering technology has the potential to provide long-range and low-power wireless communications. In this work, we study the unmanned aerial vehicle (UAV)-assisted backscatter networks where the UAV acts both as a mobile power transmitter and as an information collector. We aim to maximize the number of successfully decoded bits in the uplink while minimizing the UAV's flight time by optimizing its altitude. Power-domain NOMA scheme is employed in the uplink. An optimization framework is presented to identify the trade-off between numerous network parameters, such as UAV's altitude, number of backscatter devices, and backscatter coefficients. Numerical results show that an optimal altitude is computable for various network setups and that the impact of backscattering reflection coefficients on the maximum network throughput is significant. Based on this optimal altitude, we also show that an optimal trajectory plan is achievable.

研究の動機と目的

• UAVをモバイル電力送信機およびデータ収集装置として用いることで、低消費電力で受動的なバックスキャターIoTネットワークにおけるデータ収集効率の最大化に挑む。
• 長距離環境バックスキャター通信におけるUAVの飛行時間とネットワークスループットのトレードオフを調査する。
• NOMAベースのバックスキャターネットワークにおけるエネルギー効率とスペクトル効率のバランスを取るために、UAVの高度と軌道を最適化する。
• バックスキャター反射係数とバックスキャターノード数がネットワーク性能およびシステムスループットに与える影響を分析する。
• 成功裏に復号されたビット数の比率を最大化するための最適なUAV高度と軌道を決定するフレームワークを提供する。

提案手法

• パスロス、チャネルゲイン、干渉を考慮した3次元最適化フレームワークを、NOMAバックスキャターネットワークにおけるUAVの高度と軌道に適用する。
• UAVの有効照射角θをモデル化し、その影響がカバレッジとパスロスに与える影響を分析する。高度Hを主要変数とする。
• 複数のバックスキャターノードが同じリソースブロックを共有できるように、パワー・ドメインNOMAと逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用する。
• サブ領域分割モデル（六角形セル）を用いて、各サブ領域における空間的分布と信号強度を分析する。
• ノードごとに変動するバックスキャター反射係数（ζ）を導入し、受信信号電力の制御とSIC復号性能の向上を図る。
• スループットとアウトージ確率の解析的表現を導出し、飛行時間に対する復号ビット数の比率を最大化するためのHを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAバックスキャターネットワークにおいて、飛行時間を最小化しつつ成功裏に復号されたビット数を最大化するための最適なUAV高度は何か？
• RQ2 バックスキャター反射係数を変化させることで、SIC復号性能と全体のネットワークスループットにどのような影響が生じるか？
• RQ3 UAVの有効照射角θがシステムスループットとカバレッジ効率に与える影響は何か？
• RQ4 サブ領域ごとのバックスキャターノード数が干渉と復号アウトージ確率に与える影響は何か？
• RQ5 計算された最適高度に基づいて、最大のデータ収集効率を達成するための最適軌道を導出できるか？

主な発見

• 各ネットワーク構成に対して、成功裏に復号されたビット数と飛行時間の比率を最大化する最適なUAV高度が存在する。
• ノードごとに反射係数を変動させることで（例：0.1から0.99に変更）、SIC性能の向上に起因し、スループットが40％以上向上する。
• 有効照射角θが高くなるほどスループットは単調増加する。これは、低高度によるパスロス低減と信号強度の向上に起因する。
• 特定の環境において、高度とサブ領域ごとのバックスキャターノード数の最適ペア（H*, N_l*）が存在し、これにより復号ビット数が最大化される。パスロス指数がα = 3.2（高損失環境）のとき、α = 2.7（低損失環境）と比較して性能が19％以上低下する。
• θ > 80°の場合、より多くのバックスキャターノード（N = 100）がスループットを向上させる。これは低高度によるパスロス低減の効果が、干渉の増加を上回るためである。
• 最適高度はパスロス指数、ノード数、反射係数分布といったネットワークパrameterに敏感に依存する。