[논문 리뷰] Joint Access and Backhaul Resource Management in Satellite-Drone Networks: A Competitive Market Approach

Ye Hu, Mingzhe Chen외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 29.

Satellite Communication Systems참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 통합 위성-드론 네트워크(ISDNs)에서 공동 접근 및 백홀 자원 관리를 위한 경쟁적 시장 기반 프레임워크를 제안한다. 사용자, 기지국 및 인프라를 구매자와 판매자로 모델링하여 월라시안 균형을 달성한다. 헤비 볼 알고리즘은 최적의 자원 할당으로 수렴하게 하며, 이로 인해 고속 접근 링크는 2배 증가하고 고대역폭 백홀 링크는 3배 향상된다.

ABSTRACT

In this paper, the problem of user association and resource allocation is studied for an integrated satellite-drone network (ISDN). In the considered model, drone base stations (DBSs) provide downlink connectivity, supplementally, to ground users whose demand cannot be satisfied by terrestrial small cell base stations (SBSs). Meanwhile, a satellite system and a set of terrestrial macrocell base stations (MBSs) are used to provide resources for backhaul connectivity for both DBSs and SBSs. For this scenario, one must jointly consider resource management over satellite-DBS/SBS backhaul links, MBS-DBS/SBS terrestrial backhaul links, and DBS/SBS-user radio access links as well as user association with DBSs and SBSs. This joint user association and resource allocation problem is modeled using a competitive market setting in which the transmission data is considered as a good that is being exchanged between users, DBSs, and SBSs that act as "buyers", and DBSs, SBSs, MBSs, and the satellite that act as "sellers". In this market, the quality-of-service (QoS) is used to capture the quality of the data transmission (defined as good), while the energy consumption the buyers use for data transmission is the cost of exchanging a good. According to the quality of goods, sellers in the market propose quotations to the buyers to sell their goods, while the buyers purchase the goods based on the quotation. The buyers profit from the difference between the earned QoS and the charged price, while the sellers profit from the difference between earned price and the energy spent for data transmission. The buyers and sellers in the market seek to reach a Walrasian equilibrium, at which all the goods are sold, and each of the devices' profit is maximized. A heavy ball based iterative algorithm is proposed to compute the Walrasian equilibrium of the formulated market.

연구 동기 및 목표

• 통합 위성-드론 네트워크(ISDNs)에서 위성, 지상 및 사용자 무선 접근 링크 간의 공동 자원 할당 문제를 해결하기 위해.
• 데이터 전송을 상품으로, QoS를 품질로, 에너지 비용을 거래 비용으로 삼아 사용자 연계 및 자원 할당을 경쟁적 시장으로 모델링하기 위해.
• 모든 상품이 판매되고 모든 참여자가 이윤을 극대화하는 월라시안 균형을 달성하여 체계적 효율성을 보장하기 위해.
• 강력한 수렴성을 보장하는 잘 정의된 스텝 사이즈를 사용한 헤비 볼 기반 반복 알고리즘을 설계하여 균형에 수렴하게 하기 위해.
• 실제 ISDN 구현 시나리오에서 고속 접근 및 백홀 링크 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 사용자와 기지국을 구매자로, 위성, MBSs, SBSs를 판매자로 삼아 ISDN 자원 할당 문제를 경쟁적 시장으로 수리적으로 정의한다.
• 데이터 전송을 상품으로 정의하며, QoS는 그 품질로, 에너지 소비는 거래 비용으로 간주한다.
• 구매자의 이윤은 확보한 QoS와 지불한 가격의 차이로, 판매자의 이윤은 수령한 가격과 에너지 비용의 차이로 정의한다.
• 잘 정의된 스텝 사이즈를 사용한 헤비 볼 알고리즘을 적용하여 가격과 할당을 반복적으로 업데이트하여 월라시안 균형으로 수렴시킨다.
• 볼록 완화와 강력한 이중성 원리를 활용하여 원 문제의 최적 해로 수렴함을 보장한다.
• 시간 슬롯 모델을 사용하며, 위성-기지국 간 거리와 경로 손실 모델을 동적으로 적용하여 시간에 따라 변하는 데이터 전송 속도를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다층 인프라를 갖춘 통합 위성-드론 네트워크에서 공동 접근 및 백홀 자원 할당을 최적으로 관리하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 경쟁적 시장 프레임워크가 ISDN 내 사용자, 기지국 및 백홀 제공자 간의 상호작용을 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ3 이 시장 기반 모델에서 월라시안 균형으로 수렴하는 알고리즘적 접근은 무엇인가?
• RQ4 기존의 하향 기울기 방법에 비해 제안된 방법은 수렴 속도와 성능 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 제안된 프레임워크 하에서 고속 접근 및 백홀 링크에서 달성 가능한 성능 향상은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 헤비 볼 알고리즘은 40 Mbps를 초과하는 데이터 전송 속도를 갖는 무선 접근 링크 수를 2배로 증가시킨다.
• 알고리즘은 1.6 Gbps를 초과하는 데이터 전송 속도를 갖는 백홀 링크 수를 3배로 증가시킨다.
• 잘 정의된 스텝 사이즈 하에서 하향 기울기 방법 대비 수렴 속도를 10% 향상시키며, 수렴 보장이 이루어진다.
• 분석 결과, 알고리즘이 월라시안 균형으로 수렴함을 확인하여 모든 에이전트가 시장 청산과 이윤 극대화를 달성함을 입증한다.
• 정수 비선형 프로그래밍의 볼록 완화는 정수 최적 해의 존재를 보장하여 접근법의 타당성을 검증한다.
• 슬레이터 조건 하에서 강력한 이중성이 성립하여 이중 문제의 해가 원 문제의 최적 값과 일치함을 확인한다.