[논문 리뷰] Cellular UAV-to-X Communications: Design and Optimization for Multi-UAV Networks in 5G

Shuhang Zhang, Hongliang Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 05.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 25인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 5G 다중 UAV 무선망에서 센서 지연 제약 조건 하에 업링크 심속률을 최대화하기 위해 반복적 서브밴드 할당 및 궤적 제어 알고리즘(ISATCA)을 제안한다. 이 알고리즘은 U2I 및 U2U 오프로딩을 통해 데이터 업로드를 20% 향상시키며, 무작위 할당 대비 10% 향상된다.

ABSTRACT

In this paper, we consider a single-cell cellular network with a number of cellular users~(CUs) and unmanned aerial vehicles~(UAVs), in which multiple UAVs upload their collected data to the base station (BS). Two transmission modes are considered to support the multi-UAV communications, i.e., UAV-to-infrastructure (U2I) and UAV-to-UAV~(U2U) transmissions. Specifically, a UAV either uploads its collected data to the BS through U2I overlay transmission or offloads the data to a neighboring UAV through U2U underlay transmission when facing on-board battery outage. We formulate the subcarrier allocation and trajectory control problem to maximize the uplink sum-rate taking the delay of sensing tasks into consideration. To solve this NP-hard problem efficiently, we decouple it into three sub-problems: U2I and cellular user (CU) subcarrier allocation, U2U subcarrier allocation, and UAV trajectory control. An iterative subcarrier allocation and trajectory control algorithm (ISATCA) is proposed to solve these sub-problems jointly. Simulation results show that the proposed ISATCA can upload 20\% more data than the one without U2U offloading, and 10\% more than that obtained by the random algorithm.

연구 동기 및 목표

• 5G 싱글셀 네트워크에 셀룰러 사용자와 다중 UAV를 통합한 상황에서 업링크 심속률을 최대화하는 과제를 해결하기 위해.
• 배터리 고장 상황에서도 내구성을 확보하기 위해 UAV-기지국(U2I) 및 UAV-UAV(U2U) 통신을 조합한 하이브리드 전송 전략을 설계하기 위해.
• 센서 작업 지연 제약 조건 하에서 서브밴드 할당 및 UAV 궤적 제어를 공동 최적화하기 위해.
• NP-난해 최적화 문제를 해석 가능한 부분문제로 분해함으로써 효율적인 알고리즘을 개발하기 위해.

제안 방법

• NP-난해 서브밴드 할당 및 궤적 제어 문제를 세 부분문제로 분해: U2I 및 CU 서브밴드 할당, U2U 서브밴드 할당, UAV 궤적 제어.
• 서브밴드 할당과 UAV 궤적을 번갈아 최적화하여 수렴성과 성능을 향상시키는 반복 알고리즘(ISATCA)을 제안.
• UAV가 차량 내부 배터리 고장으로 인해 장애가 발생할 경우, 인접한 UAV로 데이터 오프로딩이 가능한 U2U 언더레이 전송을 백업 수단으로 활용.
• 센서 작업 지연 제약 조건을 최적화 프레임워크에 통합하여 적시 데이터 업로드를 보장.
• 다중 UAV 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 균형 잡는 공동 최적화 프레임워크를 적용.
• 서브밴드 할당과 UAV 비행 경로를 반복적으로 개선하여 시스템 심속률을 최대화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 UAV 셀룰러 네트워크에서 서브밴드 할당과 UAV 궤적을 공동 최적화하여 업링크 심속률을 최대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 UAV 배터리 고장 상황에서 U2U 오프로딩을 백업 메커니즘으로 도입할 경우 얻을 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 무작위 할당과 같은 기준 방법 대비 제안된 ISATCA 알고리즘이 데이터 스루풋 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 센서 작업의 지연 제약 조건이 UAV-to-X 통신 시스템의 설계 및 성능에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 ISATCA 알고리즘은 U2U 오프로딩 기능이 없는 시스템 대비 20% 높은 데이터 업로드 속도를 달성한다.
• ISATCA는 업링크 심속률 측면에서 무작위 서브밴드 할당 알고리즘 대비 10% 높은 성능을 보인다.
• 서브밴드 할당과 UAV 궤적의 공동 최적화가 다중 UAV 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다.
• U2U 오프로딩은 UAV 배터리 고장 시 데이터 손실 위험을 효과적으로 완화하여 네트워크 신뢰성을 향상시킨다.
• 반복 알고리즘이 효율적으로 수렴하여 동적인 UAV 이동성과 채널 조건에 실시간으로 적응할 수 있다.
• 센서 작업 지연 제약 조건이 최적화에 성공적으로 통합되어 스루풋을 희생시키지 않고도 적시 데이터 전달을 보장한다.