[논문 리뷰] Common Throughput Maximization in UAV-Enabled OFDMA Systems with Delay Consideration

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 24인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 이질적인 지연 요구사항을 가진 UAV 기반 네트워크에서 최소 평균 Throughput를 최대화하기 위해 UAV 경로와 OFDMA 자원 할당을 공동 최적화하는 방법을 제안한다. 지연 요구사항을 모델링하기 위해 최소율비율(MRR)을 도입함으로써, 저자들은 근본적인 Throughput-지연 트레이드오프를 규명하고, 기존 방법보다 뛰어난 성능을 보이는 매개변수 보조 블록 좌표 강하 알고리즘을 제안한다. 특히 엄격한 지연 제약 조건 하에서 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) as communication platforms is of great practical significance in future wireless networks, especially for on-demand deployment in temporary events and emergency situations. Although prior works have shown the performance improvement by exploiting the UAV's mobility, they mainly focus on delay-tolerant applications. As delay requirements fundamentally limit the UAV's mobility, it remains unknown whether the UAV is able to provide any performance gain in delay-constrained communication scenarios. Motivated by this, we study in this paper a UAV-enabled orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) network where a UAV is dispatched as a mobile base station (BS) to serve a group of users on the ground. We consider a minimum-rate ratio (MRR) for each user, defined as the minimum instantaneous rate required over the average achievable throughput, to flexibly adjust the percentage of its delay-constrained data traffic. Under a given set of constraints on the users' MRRs, we aim to maximize the minimum average throughput of all users by jointly optimizing the UAV trajectory and OFDMA resource allocation. First, we show that the max-min throughput in general decreases as the users' MRR constraints become more stringent, which reveals a fundamental throughput-delay tradeoff in UAV-enabled communications. Next, we propose an iterative parameter-assisted block coordinate descent method to optimize the UAV trajectory and OFDMA resource allocation alternately, by applying the successive convex optimization and the Lagrange duality, respectively. Furthermore, an efficient and systematic UAV trajectory initialization scheme is proposed based on a simple circular trajectory. Finally, simulation results are provided to verify our theoretical findings and demonstrate the effectiveness of our proposed designs.

연구 동기 및 목표

• 기존 이동성 최적화 설계에서 간과되기 쉬운 이질적인 사용자 지연 요구사항 하에서 UAV 기반 통신의 성능 한계를 다루기.
• 사용자들이 다양한 최소율비율(MRR)을 가지는 시스템 모델을 제안하여, 실제 혼합 트래픽 시나리오를 반영한다. 이는 사용자의 지연 제약 트래픽 비율을 나타낸다.
• MRR 제약 조건 하에서 UAV 경로와 OFDMA 자원 할당을 공동 최적화하여 모든 사용자 간 최소 평균 Throughput를 최대화하기.
• 근본적인 Throughput-지연 트레이드오프의 존재를 입증하며, 엄격한 지연 제약 조건이 UAV 이동성에 기인한 Throughput 향상 잠재력을 감소시킴을 보여준다.
• 표준 블록 좌표 강하 알고리즘에서 MRR 제약 조건 하에서 수렴 문제를 해결할 수 있는 효율적인 반복적 알고리즘을 개발하기.

제안 방법

• 지연 제약 트래픽을 민첩하게 표현할 수 있도록, 최소순간율 대 평균 구현 가능한 Throughput의 비율로 정의된 최소율비율(MRR)을 사용하여 사용자 지연 요구사항을 모델링한다.
• UAV 이동성과 OFDMA 자원 할당 제약 조건 하에서 최소 평균 사용자 Throughput를 최대화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• UAV 경로(순차적 볼록 최적화를 통해)와 OFDMA 자원 할당(라그랑주 이중성에 의한)을 번갈아 최적화하는 매개변수 보조 블록 좌표 강하 알고리즘을 제안한다.
• 수렴성과 성능 향상을 향상시키기 위해 원형 경로 기반의 체계적인 UAV 경로 초기화 방법을 도입한다.
• 경로 최적화에서의 비볼록 제약 조건을 다루기 위해 순차적 볼록 근사 기법을 적용하여 효율적인 반복 업데이트를 가능하게 한다.
• 각 반복 단계에서 OFDMA 하위문제를 효율적으로 해결하기 위해 라그랑주 이중성을 활용하여 최적의 전력 및 서브케이너 할당을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 사용자들이 지연 제약 서비스를 요구할 경우, 다양한 사용자 지연 제약 조건 하에서 UAV의 이동성에 기인한 Throughput 향상 정도는 어떻게 달라지는가?
• RQ2 UAV 경로와 OFDMA 자원 할당을 공동 최적화함으로써, 이질적인 MRR 요구사항을 충족하면서도 Throughput 공정성을 효과적으로 균형 잡을 수 있는가?
• RQ3 기존의 블록 좌표 강하 알고리즘이 이 UAV-OFDMA 환경에서 효과적으로 수렴하지 못하는 이유는 무엇이며, 어떻게 개선할 수 있는가?
• RQ4 비대칭적인 MRR 제약 조건이 UAV 경로 설계와 시스템 Throughput 공정성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 MRR 값이 증가함에 따라 시스템 성능는 어떻게 변화하며, 결과적으로 Throughput와 지연 제약 조건 사이의 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• MRR 제약 조건이 더욱 엄격해질수록 최소-최대 평균 Throughput가 감소함을 확인하였으며, 이는 UAV 기반 시스템에서 근본적인 Throughput-지연 트레이드오프를 규명한다.
• 모든 사용자가 MRR = 1(완전히 지연 제약이 있는 경우)일 경우, 최적 경로가 고정점이 되므로 UAV는 정적 배치와 동일한 Throughput를 기록하며 이동성 이득이 없다.
• 더 유연한 MRR(예: θ = 0.4)일 경우, UAV는 사용자에게 더 가까이 다가가고 효율적으로 서비스를 제공하기 위해 경로를 동적으로 조정함으로써 상당한 Throughput 향상을 달성할 수 있다.
• 제안된 매개변수 보조 블록 좌표 강하 알고리즘은 신뢰성 있게 수렴하며, 특히 높은 MRR 제약 조건 하에서 표준 블록 좌표 강하보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 시뮬레이션 결과, 낮은 MRR(예: θ = 0.4)를 가진 UAV는 높은 MRR(예: θ = 0.8)를 가진 UAV보다 더 높은 최소-최대 Throughput를 달성하며, 지연 제약 조건이 엄격해질수록 이득이 감소함을 확인하였다.
• MRR가 이질적일 경우 UAV 경로는 비대칭이 되며, 더 높은 MRR를 가진 사용자들을 우선적으로 가까이 다가가기 위해 설계되며, 채널 품질이 열 劣화된 경우 속도를 줄이거나 정지함으로써 보완된다.