[논문 리뷰] Interference Management in UAV-assisted Integrated Access and Backhaul Networks

Abdurrahman Fouda, Ahmed S. Ibrahim외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 04.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 37인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 UAV를 활용한 통합 액세스 및 백홀(IAB) 네트워크를 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안하며, 사용자 및 기지국의 연결, 다운링크 전력 할당, UAV의 공간적 구성 요소를 동시에 최적화하여 네트워크의 합산 전송률을 극대화한다. 분산형 UAV와 드론 안테나 어레이(DAA)를 활용함으로써 동적 사용자 환경에서 합산 전송률을 최대 6.7배 향상시키고, SINR를 2.9배 향상시킨다.

ABSTRACT

An integrated access and backhaul (IAB) network architecture can enable flexible and fast deployment of next-generation cellular networks. However, mutual interference between access and backhaul links, small inter-site distance and spatial dynamics of user distribution pose major challenges in the practical deployment of IAB networks. To tackle these problems, we leverage the flying capabilities of unmanned aerial vehicles (UAVs) as hovering IAB-nodes and propose an interference management algorithm to maximize the overall sum rate of the IAB network. In particular, we jointly optimize the user and base station associations, the downlink power allocations for access and backhaul transmissions, and the spatial configurations of UAVs. We consider two spatial configuration modes of UAVs: distributed UAVs and drone antenna array (DAA), and show how they are intertwined with the spatial distribution of ground users. Our numerical results show that the proposed algorithm achieves an average of $2.9 imes$ and $6.7 imes$ gains in the received downlink signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) and overall network sum rate, respectively. Finally, the numerical results reveal that UAVs cannot only be used for coverage improvement but also for capacity boosting in IAB cellular networks.

연구 동기 및 목표

• 작은 사이트 간 거리와 동적 사용자 분포로 인해 발생하는 통합 액세스 및 백홀(IAB) 네트워크 내 액세스 링크와 백홀 링크 간 상호 간섭 문제를 해결한다.
• 차세대 이동통신 네트워크에서 정적 지상 인프라의 한계를 극복하기 위해 무인 항공기(UAV)의 이동성과 유연성을 활용한다.
• 사용자 및 기지국의 연결, 전력 할당, UAV의 공간적 구성 요소를 공동 최적화하여 IAB 네트워크의 전체 다운링크 합산 전송률을 극대화한다.
• 분산형 UAV와 드론 안테나 어레이(DAA)의 두 가지 UAV 공간 구성 방식을 평가하고, 다양한 사용자 분포 조건에서의 네트워크 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• UAV가 커버리지 확장 외에도 IAB 이동통신 네트워크에서 용량 향상 기능을 수행할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 사용자 및 기지국의 연결, 액세스 및 백홀 링크에 대한 다운링크 전력 할당, UAV의 궤적 또는 위치 구성 요소를 동시에 결정하는 공동 최적화 프레임워크를 제안한다.
• 간섭 완화를 위해 사용자 연결, 전력 제어, UAV 배치를 공동 최적화하는 목적을 혼합정수비선형계획문제(MINLP)로 모델링한다.
• 공간적 배치 전략을 두 가지로 도입한다: (1) 민감하고 분산된 배치가 가능한 분산형 UAV와 (2) 빔포밍 이득과 간섭 조율 기능을 갖춘 드론 안테나 어레이(DAA).
• 지상 사용자의 공간 분포를 UAV 위치 결정 및 빔포밍 설계를 위한 핵심 입력 자료로 활용하여 간섭 인지 기반의 배치를 보장한다.
• 실제 제약 조건, 즉 전력 예산과 간섭 임계값을 고려하여 수치 최적화 기법을 적용해 공동 최적화 문제를 해결한다.
• 실제 채널 모델과 사용자 이동 패턴을 사용해 실세계 구현 다이내믹스를 반영한 성능 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV를 활용한 IAB 네트워크에서 사용자 연결, 전력 할당, UAV 위치 조정의 공동 최적화가 합산 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 동적 사용자 분포 조건에서 분산형 UAV와 드론 안테나 어레이(DAA)를 비교했을 때, SINR 및 합산 전송률 측면에서의 상대적 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 작은 사이트 간 거리 조건에서 IAB 네트워크의 액세스 및 백홀 링크 간 상호 간섭을 UAV가 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ4 UAV의 공간적 구성이 지상 사용자의 공간 분포와 어떻게 상호작용하여 네트워크 성능에 영향을 미치는가?
• RQ5 UAV는 커버리지 확장 외에도 IAB 이동통신 네트워크에서 용량 향상 기능을 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 간섭 관리 알고리즘은 기준 대비 평균 2.9배 향상된 다운링크 신호대간섭비플러스노이즈비(SINR)를 달성한다.
• 알고리즘은 전체 네트워크 합산 전송률에서 6.7배 향상된 성능을 기록하여 UAV를 활용한 IAB 네트워크에서의 용량 향상이 뚜렷하게 입증된다.
• 밀도 높은 사용자 환경에서 드론 안테나 어레이(DAA) 구성이 분산형 UAV 배치보다 더 높은 스펙트럼 효율성과 우수한 간섭 억제 성능을 제공한다.
• UAV 위치, 전력 할당, 사용자 연결의 공동 최적화는 히وري스틱 또는 분리 최적화 방법에 비해 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.
• UAV는 커버리지 확장을 넘어서 지능적인 간섭 관리 기능을 통해 네트워크 용량을 능동적으로 향상시켜 네트워크 성능을 크게 향상시킨다.
• 사용자 분포의 공간적 다이나믹스는 최적의 UAV 배치 전략에 큰 영향을 미치며, 이는 적응형 및 동적 UAV 위치 결정 알고리즘의 필요성을 강조한다.