[논문 리뷰] Exploiting NOMA for Multi-Beam UAV Communication in Cellular Uplink

Liang Liu, Shuowen Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 25.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 셀룰러 업링크에서 다중 안테나 UAV가 지상 기지국(GBS)과 통신할 때, 다중 사용자 다중접근(NOMA) 기반의 멀티비트 전송 방식을 제안한다. 이는 동일 채널의 일부 GBS들이 UAV 신호를 디코드하고 취소하고, 나머지 GBS들에서는 영향을 제거하기 위해 제로포싱 비드포밍을 사용하여 간섭을 억제한다. 주요 기여는 무한 대역 신호 대 노이즈 비율(SNR) 영역에서 최대 도메인 자유도(DoF)를 닫힌 형태로 기술한 것으로, $ J^* = \floor{N/(M-1)} $ 로 표현되며, 간섭 회피 조건 하에서 신뢰성 있는 데이터 스트림의 이론적 한계를 정의한다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are expected to be an important new class of users in the fifth generation (5G) and beyond 5G cellular networks. In particular, there are emerging UAV applications such as aerial photograph and data relaying that require high-speed communications between the UAVs and the ground base stations (GBSs). Due to the high UAV altitude, the strong line-of-sight (LoS) links generally dominate the channels between the UAVs and GBSs, which brings both opportunities and challenges in the design of future wireless networks supporting both terrestrial and aerial users. Although each UAV can associate with more GBSs for communication as compared to terrestrial users thanks to the LoS-dominant channels, it also causes/suffers more severe interference to/from the terrestrial communications in the uplink/downlink. This paper studies the uplink communication from a multi-antenna UAV to a set of GBSs within its signal coverage by considering a practical yet challenging scenario when the number of antennas at the UAV is smaller than that of co-channel GBSs. To achieve high-rate transmission yet avoid interfering with any of the existing terrestrial communications at the co-channel GBSs, we propose a novel multi-beam transmission strategy by exploiting the non-orthogonal multiple access (NOMA) technique. Specifically, the UAV sends each data stream to a selected subset of the GBSs, which can decode the UAV's signals and then cancel them before decoding the messages of their served terrestrial users, and in the meanwhile nulls its interference at the other GBSs via zero-forcing (ZF) beamforming. To draw essential insight, we first characterize in closed-form the degrees-of-freedom (DoF) under the proposed strategy. Then, we propose an efficient algorithm to maximize the UAV's transmit rate subject to the interference avoidance constraints for protecting the terrestrial users.

연구 동기 및 목표

• 강한 LOS 채널로 인해 심한 동일 채널 간섭이 발생하는 UAV-GBS 업링크 통신 문제를 해결한다.
• GBS 수가 UAV 안테나 수를 초과할 경우 제로포싱 비드포밍이 비가능한 문제를 해결한다.
• NOMA와 선택적 GBS에서의 간섭 제거를 활용하여 고속도 UAV 업링크 전송을 가능하게 하면서도, 지상 사용자에 대한 간섭을 방지한다.
• 간섭 회피 조건 하에서 UAV 합성율 최대화를 위한 최대 도메인 자유도(DoF)를 특성화한다.
• 유한 SNR 영역에서 데이터 스트림 할당, 비드포밍, 속도를 동시에 최적화하는 효율적인 알고리즘을 제안한다.

제안 방법

• 각 UAV 데이터 스트림을 디코드하고 취소할 수 있는 특정 GBS 집합에 전송하는 NOMA 기반 멀티비트 전송 전략을 제안한다.
• 비디오 간섭을 제거하기 위해 제로포싱(ZF) 비드포밍을 사용하여 디코드하지 않는 GBS에서 간섭을 억제함으로써 지상 사용자에 대한 간섭을 방지한다.
• 비드포밍 제약 조건을 수학적으로 모델링한다: $ \bmath{h}_n^H \bmath{w}_j = 0 $ for all $ n \notin \bigcup_{i \neq j} \tilde{\boldsymbol{\nu}}_i $, 이는 비디오 간섭을 제거하는 비디오 간섭이 없는 GBS에서의 간섭 억제를 보장한다.
• 무한 대역 SNR 영역에서 DoF를 유도하여 $ J^* = \floor{N/(M-1)} $ 로 표현한다. 여기서 $ N $ 은 GBS 수이고 $ M $ 은 UAV 안테나 수이다.
• 간섭 회피 및 비드포밍 제약 조건 하에서 UAV 합성율을 최대화하는 유한 SNR 영역을 대상으로 한 공동 최적화 알고리즘을 개발한다.
• 선형 시스템에서 변수 수가 방정식 수를 초과할 경우 ZF 시스템에서 실현 가능한 비드포밍 해를 구성하며, 이는 $ J \neq J^* $ 일 때 성립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 지상 사용자에 대한 간섭을 피하면서 UAV가 업링크에서 신뢰성 있게 전송할 수 있는 최대 데이터 스트림 수는 얼마인가?
• RQ2 NOMA 기반 멀티비트 업링크 시스템에서 UAV 안테나 수와 동일 채널 GBS 수가 도메인 자유도(DoF)에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 GBS 수가 UAV 안테나 수를 초과할 경우 제로포싱 비드포밍이 가능해지기 위한 조건은 무엇인가? 만약 가능하면 어떤 조건에서 가능해지는가?
• RQ4 간섭 제약 조건 하에서 데이터 스트림-GBS 할당과 비드포밍을 공동으로 최적화하여 UAV 업링크 합성율을 최대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ5 고신호 대 노이즈 비율(SNR) 영역에서 제안된 NOMA 및 ZF 비드포밍 전략 하에서 UAV 업링크 합성율의 이론적 DoF 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 무한 대역 SNR 영역에서 UAV 업링크 합성율의 최대 도메인 자유도(DoF)는 $ J^* = \floor{N/(M-1)} $ 로 닫힌 형태로 유도되었으며, 이는 이론적 한계를 정의한다.
• $ J \neq J^* $ 일 경우, ZF 비드포밍의 실현 가능성은 선형 시스템에서 변수 수가 방정식 수를 초과하는지 여부에 따라 달라지며, 이는 $ J \neq J^* $ 일 때만 보장된다.
• $ J \neq J^* $ 일 경우, 독립적인 Rician fading 채널 조건 하에서 모든 ZF 제약 조건을 만족하는 비영 벡터 $ \bmath{w}_j $ 가 확률 1로 존재한다.
• 제안된 NOMA 기반 전략은 GBS 수가 UAV 안테나 수를 초과할 경우, 기존의 ZF 전용 접근 방식보다 더 많은 데이터 스트림을 전송할 수 있도록 한다.
• 수치 결과는 제안된 전략이 기존의 전략에 비해 UAV 업링크 스루풋을 크게 향상시킴을 확인한다.
• DoF 결과는 이론적 최대 신뢰성 있는 데이터 스트림 수가 GBS 수와 UAV 안테나 수의 비율에 의해 제한되며, 이 비율의 정수 부분 $ \floor{N/(M-1)} $ 으로 표현됨을 드러낸다.