[논문 리뷰] Cognitive UAV Communication via Joint Trajectory and Power Control

Yuwei Huang, Jie Xu외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 14.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 간섭 온도 제약 조건을 통해 주요 지상 사용자를 보호하면서 평균 구현 가능한 속도를 최대화하기 위해 인지 UAV 통신을 위한 공동 궤적 및 전력 제어 방식을 제안한다. 교차 최적화와 순차적 볼록 근사 기법을 활용하여, 간섭을 최소화하고 유리한 채널 조건을 활용하기 위해 UAV 이동성과 전송 전력을 지능적으로 균형 잡는 방식으로 기준 대비 상당한 속도 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates a new spectrum sharing scenario between unmanned aerial vehicle (UAV) and terrestrial wireless communication systems. We consider that a cognitive/secondary UAV transmitter communicates with a ground secondary receiver (SR), in the presence of a number of primary terrestrial communication links that operate over the same frequency band. We exploit the UAV's controllable mobility via trajectory design, to improve the cognitive UAV communication performance while controlling the co-channel interference at each of the primary receivers (PRs). In particular, we maximize the average achievable rate from the UAV to the SR over a finite mission/communication period by jointly optimizing the UAV trajectory and transmit power allocation, subject to constraints on the UAV's maximum speed, initial/final locations, and average transmit power, as well as a set of interference temperature (IT) constraints imposed at each of the PRs for protecting their communications. However, the joint trajectory and power optimization problem is non-convex and thus difficult to be solved optimally. To tackle this problem, we propose an efficient algorithm that ensures to obtain a locally optimal solution by applying the techniques of alternating optimization and successive convex approximation (SCA). Numerical results show that our proposed joint UAV trajectory and power control scheme significantly enhances the achievable rate of the cognitive UAV communication system, as compared to benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• UAV-지상 주파수 공유 환경에서의 동일 대역 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 유한한 임무 기간 동안 인지 UAV-지상 링크의 평균 구현 가능한 속도를 최대화하기 위해.
• 이동성 및 간섭 제약 조건 하에서 UAV 궤적과 전송 전력을 공동 최적화하기 위해.
• 간섭 온도(IT) 제약 조건을 통해 주요 사용자 통신을 보호하기 위해.
• 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 효율적인 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• UAV-SR 링크의 평균 구현 가능한 속도를 최대화하기 위해 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 각 주요 수신기(PR)에서의 동일 대역 간섭을 제한하기 위해 간섭 온도(IT) 제약 조건을 적용한다.
• 궤적과 전력 할당을 번갈아 가며 최적화하기 위해 교차 최적화를 사용한다.
• 비볼록 하위문제를 볼록 근사로 변환하기 위해 순차적 볼록 근사(Sequential Convex Approximation, SCA)를 활용한다.
• UAV 최대 속도, 초기/최종 위치, 평균 전송 전력, PR에서의 IT 임계값에 대한 제약 조건을 부과한다.
• 국소 최적 해로 수렴하는 반복 알고리즘을 통해 문제를 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 UAV 이동성과 전송 전력을 공동으로 최적화하여 인지 UAV 통신 속도를 최대화할 수 있는가?
• RQ2 궤적 설계와 전력 제어만을 별도로 적용했을 경우 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 UAV는 간섭 제약 조건이 엄격할 경우 어떻게 비행 경로를 조정하여 주요 지상 링크에 간섭을 최소화하는가?
• RQ4 분리 최적화 대비 공동 궤적 및 전력 최적화를 통해 얻을 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 통신 지속 시간이 통신 용량과 간섭 제어 간의 성능 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 공동 궤적 및 전력 제어 방식은 모든 벤치마크 방식보다 평균 구현 가능한 속도 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 통신 지속 시간 T ≤ 60 s일 경우, 전력 최적화만으로도 궤적 최적화보다 더 우수한 성능를 기록하여 짧은 임무에서는 전력 제어가 지배적임을 시사한다.
• T ≥ 70 s일 경우 궤적 최적화가 더 효과적으로 작용하여 장기간에 걸쳐 이동성 이득이 충분히 활용됨을 보여준다.
• 간섭 제약 조건이 엄격할 경우(예: Γ = -90 dBm), UAV 궤적이 직선에서 벗어나 주요 수신기에서 멀어지며 간섭을 감소시킨다.
• 2차 수신기(SR) 근처에서는 유리한 채널 조건을 활용하기 위해 UAV가 속도를 줄이며, 주요 수신기 근처에서는 간섭 노출 시간을 최소화하기 위해 더 빠르게 비행한다.
• 수치 결과는 공동 최적화가 통신 용량과 동일 대역 간섭 제어를 균형 있게 조절함으로써 상당한 스펙트럼 효율 향상을 달성함을 확인한다.