[논문 리뷰] Common Throughput Maximization for UAV-Enabled Interference Channel with Wireless Powered Communications

Lifeng Xie, Jie Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 10.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 무선 전력 공급 통신망에서 두 대의 드론(UAV)을 위한 공동 궤적 및 자원 할당 설계를 제안하여 두 지상 IoT 장치의 최소 업링크 Throughput를 최대화한다. 드론 이동성을 활용하여 다운링크 에너지 전송과 업링크 간섭 조정 또는 CoMP 수신을 동시에 구현함으로써, 성능 향상이著명하며, CoMP는 복잡도가 더 높은 대가로 간섭 조정을 능가한다.

ABSTRACT

This paper studies an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled two-user interference channel for wireless powered communication networks (WPCNs), in which two UAVs wirelessly charge two low-power Internet-of-things (IoT)-devices on the ground and collect information from them. We consider two scenarios when both UAVs cooperate in energy transmission and/or information reception via interference coordination and coordinated multi-point (CoMP), respectively. For both scenarios, the UAVs' controllable mobility is exploited via trajectory design to not only enhance the wireless power transfer (WPT) efficiency in the downlink, but also mitigate the co-channel interference for wireless information transfer (WIT) in the uplink. In particular, the objective is to maximize the uplink common (minimum) throughput of the two IoT-devices over a finite UAV mission period, by jointly optimizing the trajectories of both UAVs and the downlink/uplink wireless resource allocation, subject to the maximum flying speed and collision avoidance constraints at UAVs, as well as the individual energy neutrality constraints at IoT-devices. Under both scenarios of interference coordination and CoMP, we first obtain the optimal solutions to the two common-rate maximization problems in well structures for the special case with sufficiently long UAV mission duration. Next, we obtain high-quality solutions for the practical case with finite UAV mission duration by using the alternating optimization and successive convex approximation (SCA).

연구 동기 및 목표

• 무선 전력 공급 통신망(WPCN)에서 드론 기반의 두 사용자 간섭 채널에서 업링크 공통(최소) Throughput를 최대화하는 문제를 다루기.
• 고정된 AP의 한계를 극복하기 위해 드론 이동성을 활용하여 WPT와 WIT의 효율성을 향상시키기.
• 최대 속도, 충돌 회피, IoT 장치에서의 에너지 중립성 등의 실용적 제약 조건 하에 드론 궤적과 무선 자원 할당을 공동 최적화하기.
• 간섭 조정과 공동 다중점(CoMP) 전송 전략을 비교하여 성능 트레이드오프를 분석하기.
• 장기 및 유한한 미션 기간에 각각 최적 및 고품질의 부분 최적 해를 제공하기.

제안 방법

• 드론 이동성 및 에너지 중립성 제약 조건 하에 공동 Throughput 최대화 문제를 수립하며, 이는 드론 궤적과 자원 할당 최적화를 통한 비볼록 문제로 구성된다.
• 유한한 미션 기간에 대해 비볼록 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사(Sequential Convex Approximation, SCA)와 교대 최적화(Alternating Optimization)를 적용한다.
• 장기적인 미션 기간 특수 케이스를 위해 순차적 정지 및 이동(Successive Hover-and-Fly, SHF) 기반 궤적 설계를 제안하여, WPT 및 WIT를 위한 최적의 다중 위치 정지가 가능하도록 한다.
• WIT에 대해 ZF-빔포밍을 적용하고, CoMP가 간섭 완화 및 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 채널 기하학적 특성을 기반으로 폐쇄형 해를 이용해 에너지 빔포밍 이득 함수의 최적 드론 간격을 분석하고 해석 조건을 유도한다.
• 에너지 빔포밍 이득 함수의 단조성 및 최적성 조건을 증명함으로써 해 구조의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 사용자 간섭 채널에서 드론 이동성을 어떻게 활용하여 다운링크 WPT와 업링크 WIT의 효율성을 동시에 최대화할 수 있는가?
• RQ2 드론이 에너지 전송과/또는 정보 수신에서 협력할 경우, 최적의 궤적과 자원 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 드론 이동성을 고려할 때, 간섭 조정과 CoMP 수신 간의 가용 가능한 공통 업링크 Throughput는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 장기적인 미션 기간에 대한 최적 해의 구조적 특성은 무엇이며, 이를 유한 기간의 고품질 부분 최적 해 설계에 어떻게 활용할 수 있는가?
• RQ5 드론 속도, 충돌 회피, 에너지 중립성 등의 제약 조건은 시스템 설계 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 충분히 장기적인 미션 기간 동안 최적 해는 드론이 각각 WPT와 WIT를 위해 별개의 위치에 정지하는 것으로 구성되며, 최적 간격은 드론-장치 간 링크 기하학적 특성에 의해 결정된다.
• 드론 간 거리가 $ 2H/\sqrt{3} $를 초과할 경우, 최적 에너지 빔포밍 이득은 최소 안전 거리가 아닌 비자명한 간격 $ x^{E*} = \epsilon $에서 달성된다.
• 유한 기간 케이스에서 제안된 교대 최적화 및 SCA 기반 알고리즘은 기준 대비 뚜렷한 성능 향상을 보이며 고품질 해를 달성한다.
• CoMP 전송은 복잡도가 더 높은 대가로 업링크 공통 Throughput 측면에서 간섭 조정을 능가한다.
• 수치 결과는 드론 이동성이 특히 WPCN의 운영 범위 및 신뢰성을 확장함에 있어 시스템 성능 향상에 크게 기여함을 확인한다.
• 장기 기간 가정 하에 최적 궤적 설계는 에너지 및 정보 전송을 위한 별도의 정지를 필수로 하며, 공정성과 시스템 Throughput 최대화에 기여한다.