[논문 리뷰] Joint Location and Power Optimization for THz-enabled UAV Communications.

Luyao Xu, Ming Chen외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 02.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 10인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 업링크 및 다운링크 전송 지연를 최소화하기 위해 테라헤르츠(THz) 대역 무인항공기(UAV) 통신을 위한 공동 UAV 항로 및 전력 할당 최적화 프레임워크를 제안한다. 교차 알고리즘을 통해 반복적으로 UAV 위치 및 사용자 전력 제어 하위문제를 해결함으로써, 고정 전력 기반 대비 최대 67.3%의 지연 감소와 고정 위치 기반 대비 52.5%의 지연 감소를 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, the problem of unmanned aerial vehicle (UAV) deployment and power allocation is investigated for a UAV-assisted wireless system operating at terahertz (THz) frequencies. In the studied model, one UAV can service ground users using the THz frequency band. However, the highly uncertain THz channel will introduce new challenges to the UAV location and user power allocation optimization problems. Therefore, it is necessary to design a novel framework to deploy UAVs in the THz wireless systems. This problem is formally posed as an optimization problem whose goal is to minimize the sum uplink and downlink transmission delays between the UAV and the ground users by jointly optimizing the deployment of the UAV and the transmit power of the users. To tackle this nonconvex delay minimization problem, an alternating algorithm is proposed while iteratively solving two subproblems: location optimization subproblem and power control subproblem. Simulation results show that the proposed algorithm can reduce the transmission delay by up to $67.3\%$ and $52.5\%$ respectively compared to baseline algorithms that fix transmit power control or UAV location.

연구 동기 및 목표

• UAV 기반 무선 시스템에서 매우 불확실한 THz 채널 문제를 해결한다.
• 엔드 투 엔드 전송 지연를 최소화하기 위해 UAV 배치 및 사용자 업링크/다운링크 전력 할당을 최적화한다.
• THz 전파 제약 조건 하에서 UAV 항로 및 전력 제어를 공동으로 처리하는 새로운 프레임워크를 개발한다.
• THz 기반 UAV 네트워크에서 지연 최소화 문제의 비볼록성에 대응한다.

제안 방법

• 전체 업링크 및 다운링크 전송 지연를 최소화하기 위해 공동 UAV 위치 및 전력 할당 문제를 비볼록 최적화 문제로 수식화한다.
• UAV 위치 최적화 및 사용자 전력 제어 최적화 두 하위문제를 번갈아가며 반복적으로 해결하는 교차 알고리즘을 제안한다.
• 위치 및 전력 하위문제의 비볼록 제약 조건을 다루기 위해 순차적 볼록 근사(sequential convex approximation, SCA) 기법을 사용한다.
• 전력 할당 하위문제에서 지연 함수의 비볼록성 관리를 위해 페널티 기반 방법을 적용한다.
• 채널 상태 정보를 기반으로 UAV 위치 및 사용자 전송 전력을 반복적으로 개선함으로써 수렴성을 확보한다.
• 경로 손실, 샤프팅, 분자 흡수 효과를 고려하기 위해 THz 전파를 위한 통계적 채널 모델을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 THz 대역 UAV 네트워크에서 UAV 위치 및 사용자 전력 할당의 공동 최적화는 전송 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고정 위치 또는 고정 전력 기반 기준 대비 반복적 교차 알고리즘의 성능 향상은 얼마나 되는가?
• RQ3 THz 대역의 고유한 전파 특성이 UAV 배치 및 전력 제어 전략에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 THz 통신의 고경로 손실 및 방향성 빔포밍 제약 조건 하에서 제안된 알고리즘이 안정된 해에 수렴할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 교차 알고리즘은 사용자 전송 전력을 고정한 기준 대비 최대 67.3%의 지연 감소를 달성한다.
• UAV 위치를 고정한 기준 대비 알고리즘이 전송 지연을 최대 52.5% 감소시킨다.
• 공동 최적화는 UAV 위치 또는 전력 제어를 별도로 최적화하는 것보다 현저히 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 알고리즘은 몇 번의 반복 내에 수렴하여 실시간 구현 가능성에 대한 실용성을 입증한다.
• 고경로 손실 및 고분자 흡수 환경에서 성능 향상이 가장 두드러진다.
• 적응형 전력 및 위치 제어를 통해 프레임워크가 THz 대역의 채널 불확실성 영향을 효과적으로 완화한다.