[논문 리뷰] Dynamic Mobility-Aware Interference Avoidance for Aerial Base Stations in Cognitive Radio Networks

Ali Rahmati, Xiaofan He외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 09.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인지 무선망에서 일시적인 공중 기지국(ABS) 네트워크의 간섭 문제를 해결하기 위해 스펙트럴 그래프 이론과 가중 치헤거 상수를 활용한 동적 이동성 인지 간섭 회피 기법을 제안한다. 이 기법은 최대 네트워크 흐름을 확보하기 위해 ABS의 이동 경로를 최적화하며, 에너지 효율적인 분산 재배치를 가능하게 하여 최대 39%의 에너지 절감을 달성하면서도 최대 흐름 성능에 미미한 손실을 초래한다.

ABSTRACT

Aerial base station (ABS) is a promising solution for public safety as it can be deployed in coexistence with cellular networks to form a temporary communication network. However, the interference from the primary cellular network may severely degrade the performance of an ABS network. With this consideration, an adaptive dynamic interference avoidance scheme is proposed in this work for ABSs coexisting with a primary network. In the proposed scheme, the mobile ABSs can reconfigure their locations to mitigate the interference from the primary network, so as to better relay the data from the designated source(s) to destination(s). To this end, the single/multi-commodity maximum flow problems are formulated and the weighted Cheeger constant is adopted as a criterion to improve the maximum flow of the ABS network. In addition, a distributed algorithm is proposed to compute the optimal ABS moving directions. Moreover, the trade-off between the maximum flow and the shortest path trajectories is investigated and an energy-efficient approach is developed as well. Simulation results show that the proposed approach is effective in improving the maximum network flow and the energy-efficient approach can save up to 39% of the energy for the ABSs with marginal degradation in the maximum network flow.

연구 동기 및 목표

• 공공안전 및 재난 구호 상황에서 일시적인 공중 기지국(ABS) 네트워크에 영향을 미치는 주요 셀룰러 네트워크의 간섭 문제를 해결하기 위해.
• ABS의 이동성을 활용해 위치를 동적으로 재구성하여 간섭을 줄이고 동시에 높은 데이터 전송률을 유지하기 위해.
• 스펙트럴 그래프 이론과 연결성 지표를 활용해 최대 네트워크 흐름을 위한 ABS 이동 경로를 최적화하기 위해.
• 최대 흐름과 최단 경로 이동 경로 간의 상호 트레이드오프를 분석함으로써 에너지 효율성과 네트워크 성능의 균형을 이루기 위해.
• 실시간으로 최적의 ABS 이동 방향을 계산하기 위한 분산 알고리즘을 개발하기 위해.

제안 방법

• 3차원 공간에서 단일 및 다중 상품 최대 흐름 문제로 ABS 간섭 회피 문제를 수식화한다.
• 네트워크의 강건성과 흐름 용량을 향상시키기 위해 3차원 연결성 지표로 가중 치헤거 상수를 도입한다.
• 그래프 라플라시안의 페들러 벡터를 활용해 최적의 ABS 이동 방향을 유도하며, 이를 분산 알고리즘을 통해 계산한다.
• 이동 경로 최적화 프레임워크에 실용적인 ABS 채널 모델과 이동 제약 조건을 통합한다.
• 에너지 소비를 최소화하면서도 높은 네트워크 흐름을 유지하는 에너지 효율적인 이동 경로 계획 기법을 제안한다.
• 중앙집중식 및 분산식 페들러 벡터 계산을 통한 분산 방법의 확장성과 정확도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모바일 공중 기지국(ABS)은 주 셀룰러 네트워크의 간섭을 최소화하기 위해 어떻게 동적으로 재배치될 수 있는가?
• RQ2 다중 ABS 인지 무선 네트워크에서 종단 간 데이터 흐름을 극대화하기 위한 최적의 이동 경로는 무엇인가?
• RQ3 가중 치헤거 상수는 전통적인 지표에 비해 네트워크 연결성과 최대 흐름을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 ABS 이동 경로 계획에서 에너지 효율성과 최대 네트워크 흐름 간의 상호 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 중앙집중식 계산에 비해 성능 손실을 최소화하면서도 효과적으로 최적의 ABS 이동 방향을 계산할 수 있는 분산 알고리즘이 가능한가?

주요 결과

• 제안된 기법은 기존의 치헤거 상수 대비 가중 치헤거 상수를 활용해 최대 네트워크 흐름을 약 150% 향상시킨다.
• 페들러 벡터를 계산하기 위한 분산 알고리즘이 충분한 반복 수를 사용할 경우 중심 집중식 방법과 구별할 수 없을 정도로 높은 성능을 달성한다.
• 고도 제약 조건이 없는 상황에서는 ABS가 0미터 고도로 이동할 수 있으나, 이는 실용적이지 않다. 최소 고도 20미터 제약 조건을 적용할 경우 흐름 저하가 0.023 수준으로 발생한다.
• 에너지 효율적인 이동 경로 기법은 최대 흐름 경로 대비 ABS의 에너지 소비를 최대 39% 감소시키며, 네트워크 흐름에 대한 영향은 미미하다.
• 최대 흐름 경로는 최단 경로 경로와 비교했을 때 일시적이고 미미한 네트워크 흐름 저하를 유발할 뿐이다.
• 최적 경로에서 멀리 떨어진 ABS는 최대 39%의 에너지 절감을, 중심에 가까운 ABS는 경로가 짧고 비효율적이기 때문에 최소 11%의 절감에 그친다.