[논문 리뷰] Energy-Efficient UAV Backscatter Communication with Joint Trajectory Design and Resource Optimization

Gang Yang, Rao Dai외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 13.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 에너지 효율적인 UAV 보조 반사통신 네트워크를 위한 통합 궤도 및 자원 최적화 프레임워크를 제안한다. 여기서 비행하는 UAV는 시간분할다중접근 방식을 통해 지상의 반사장치로부터 데이터를 수확한다. UAV 궤도, BD 스케줄링, CE 전송 전력의 통합 최적화를 통해, 정지 및 비행 기준 대비 최대 0.699 비트/헤르츠/ETP의 에너지 효율 향상을 달성하였으며, 25회 이내로 수렴한다.

ABSTRACT

Backscatter communication which enables wireless-powered backscatter devices (BDs) to transmit information by reflecting incident signals, is an energy- and cost-efficient communication technology for Internet-of-Things. This paper considers an unmanned aerial vehicle (UAV)-assisted backscatter communication network (UBCN) consisting of multiple BDs and carrier emitters (CEs) on the ground as well as a UAV. A communicate-while-fly scheme is first designed, in which the BDs illuminated by their associated CEs transmit information to the flying UAV in a time-division-multiple-access manner. Considering the critical issue of the UAV's limited on-board energy and the CEs' transmission energy, we maximize the energy efficiency (EE) of the UBCN by jointly optimizing the UAV's trajectory, the BDs' scheduling, and the CEs' transmission power, subject to the BDs' throughput constraints and harvested energy constraints, as well as other practical constraints. Furthermore, we propose an iterative algorithm based on the block coordinated decent method to solve the formulated mixed-integer non-convex problem, in each iteration of which the variables are alternatively optimized by leveraging the cutting-plane technique, the Dinkelbach's method and the successive convex approximation technique. Also, the convergence and complexity of the proposed algorithm are analyzed. Finally, simulation results show that the proposed communicate-while-fly scheme achieves significant EE gains compared with the benchmark hover-and-fly scheme. Useful insights on the optimal trajectory design and resource allocation are also obtained.

연구 동기 및 목표

• 대규모 반사통신 네트워크에서의 높은 구축 비용과 열악한 공정성 문제를 해결하기 위해 UAV를 이동식 반사 수신기로 도입한다.
• 제한된 탑재 에너지 및 전송 전력 제약 조건 하에서 UAV 보조 반사통신 네트워크(UBCN)의 에너지 효율(EE)을 최대화한다.
• 통과량 및 에너지 수확 제약 조건을 만족시키면서 UAV 궤도, BD 스케줄링, CE 전송 전력을 통합 최적화한다.
• 수렴성과 실시간 구현 가능성 보장이 가능한 저복잡도 반복 알고리즘을 개발한다.

제안 방법

• 궤도, 스케줄링, 전력 제약 조건 하에서 EE 최대화를 위한 혼합정수비선형비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 블록좌표강하(BCD)를 활용해 UAV 궤도, BD 스케줄링, CE 전송 전력을 반복적으로 최적화한다.
• 수확된 에너지 및 통과량과 관련된 비볼록 제약 조건을 처리하기 위해 컷팅플레인 방법을 적용한다.
• 분수형 EE 목적함수를 순차적인 매개변수 하위문제로 변환하기 위해 딜랭크바흐의 방법을 사용한다.
• 궤도 및 전력 최적화 하위문제의 비볼록 항을 다루기 위해 연속적볼록근사(SCA)를 활용한다.
• 현실적인 비행 역학 및 에너지 소모를 보장하기 위해 UAV 추진 에너지 모델을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 궤도, BD 스케줄링, CE 전송 전력의 통합 최적화가 UAV-반사통신 네트워크의 에너지 효율에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 추진 에너지를 최소화하면서 데이터 수확 효율을 극대화하는 최적의 비행 패턴(궤도)은 무엇인가?
• RQ3 BD 간 지리적 분포 및 채널 조건에 따라 시간 자원 할당은 어떻게 달라지는가?
• RQ4 통과량 및 시간 제약 조건이 최적의 궤도 및 전력 할당에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 제안된 반복 알고리즘이 수렴성과 저연산 복잡도를 어떻게 확보하는가?

주요 결과

• 제안된 통신 중 비행(communicate-while-fly) 기법은 에너지 효율 최대 0.699 비트/헤르츠/ETP를 달성하여 정지 및 비행 기준 대비 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 근접한 BD들로부터 데이터를 수확할 경우, 특히 중간 수준의 통과량 및 시간 제약 조건에서 최적의 UAV 궤도는 '8'자 형태를 띠었다.
• 근접한 BD들 주변에서 정지 비행할 경우 UAV는 약 5.76 m/s의 속도로 비행하며, 이는 추진 에너지 소모가 최소화되는 속도이다.
• 근접한 BD들(예: BD 3, 5, 9, 11)은 더 높은 도달 가능한 데이터 전송률로 인해 더 많은 시간 자원을 확보하여 공정성과 EE 향상에 기여한다.
• 알고리즘이 25회 이내로 수렴하며, 첫 5회 이내에 에너지 효율이 급격히 향상되어 빠른 수렴성을 확인하였다.
• CE 전송 전력은 2W에서 6W 사이로 동적으로 조정되어 피크 전력 사용을 방지하고 전체 에너지 소모를 낮추었다.