[논문 리뷰] Millimeter-Wave Full-Duplex UAV Relay: Joint Positioning, Beamforming, and Power Control

Lipeng Zhu, Jun Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 23.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 48인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파 풀드럭스 드론 중계기의 공동 최적화 프레임워크를 제안하며, 가용 속도를 극대화하기 위해 드론 위치, 아날로그 beamforming, 전력 제어를 공동으로 최적화한다. 라인오브사이트(LoS) 조건 하에서 최적의 드론 위치에 대한 닫힌 형태의 해를 유도하고, 실용적 제약 조건 하에서 저복잡도 beamforming과 전력 제어로 근사 최적 성능을 달성하는 번갈아가며 간섭을 억제하는 알고리즘을 개발한다.

ABSTRACT

In this paper, a full-duplex unmanned aerial vehicle (FD-UAV) relay is employed to increase the communication capacity of millimeter-wave (mmWave) networks. Large antenna arrays are equipped at the source node (SN), destination node (DN), and FD-UAV relay to overcome the high path loss of mmWave channels and to help mitigate the self-interference at the FD-UAV relay. Specifically, we formulate a problem for maximization of the achievable rate from the SN to the DN, where the UAV position, analog beamforming, and power control are jointly optimized. Since the problem is highly non-convex and involves high-dimensional, highly coupled variable vectors, we first obtain the conditional optimal position of the FD-UAV relay for maximization of an approximate upper bound on the achievable rate in closed form, under the assumption of a line-of-sight (LoS) environment and ideal beamforming. Then, the UAV is deployed to the position which is closest to the conditional optimal position and yields LoS paths for both air-to-ground links. Subsequently, we propose an alternating interference suppression (AIS) algorithm for the joint design of the beamforming vectors and the power control variables. In each iteration, the beamforming vectors are optimized for maximization of the beamforming gains of the target signals and the successive reduction of the interference, where the optimal power control variables are obtained in closed form. Our simulation results confirm the superiority of the proposed positioning, beamforming, and power control method compared to three benchmark schemes. Furthermore, our results show that the proposed solution closely approaches a performance upper bound for mmWave FD-UAV systems.

연구 동기 및 목표

• 밀리미터파 네트워크에서 낮은 커버리지와 높은 경로 손실 문제를 해결하기 위해 풀드럭스 작동 방식을 갖춘 드론 중계기를 활용한다.
• 밀리미터파 풀드럭스 드론 중계 시스템에서 공동 최적화된 드론 위치, beamforming, 전력 제어의 고차원적 비볼록 최적화 문제를 해결한다.
• 상수 모듈러스 beamforming 및 LoS 전파 조건을 포함한 실용적 제약 조건 하에서 소스에서 목적지로의 가용 속도를 극대화한다.
• 닫힌 형태의 전력 할당을 통해 beamforming과 전력 제어를 반복적으로 최적화함으로써 근사 최적 성능을 달성하는 저복잡도 알고리즘을 설계한다.

제안 방법

• 이상적인 LoS 및 완벽한 beamforming 가정 하에서 가용 속도의 상한선을 극대화하는 조건부 최적 드론 위치에 대한 닫힌 형태의 해를 유도한다.
• 소스 및 목적지 노드 양쪽에 대해 LoS 링크를 유지할 수 있는 가장 가까운 실현 가능한 LoS 위치로 드론을 배치한다.
• 신호 이득을 극대화하고 간섭을 억제하기 위해 beamforming 벡터를 반복적으로 최적화하는 대체 간섭 억제(Alternating Interference Suppression, AIS) 알고리즘을 제안한다.
• AIS 알고리즘의 각 반복 단계에서, 속도와 간섭을 균형 있게 조절하기 위해 최적의 전력 제어 변수를 닫힌 형태로 계산한다.
• 채널 계수의 일정 비율 성질에 기반한 기하학적 접근 방식을 사용하여 상수 모듈러스 제약 조건을 충족하거나 거의 충족하는 beamforming 벡터를 구성한다.
• 최적 해가 최대 하나의 beamforming 벡터 요소만 상수 모듈러스 제약 조건을 위반하는 경우에 존재함을 증명하여 효율적인 계산이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라인오브사이트(LoS) 조건 하에서 밀리미터파 풀드럭스 드론 중계 시스템에서 가용 속도를 극대화하는 최적의 드론 위치는 무엇인가?
• RQ2 상수 모듈러스 beamforming 벡터 제약 조건 하에서 beamforming과 전력 제어를 어떻게 공동으로 최적화할 수 있는가?
• RQ3 저복잡도 알고리즘이 밀리미터파 FD-UAV 중계기의 가용 속도 측면에서 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 이론적 성능 상한선에 비해 얼마나 가까운 성능을 보이는가?
• RQ5 LoS 전용 링크 및 하드웨어에 의한 상수 모듈러스 beamforming 등의 실용적 제약 조건이 시스템 설계에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 공동 최적화 프레임워크는 밀리미터파 풀드럭스 드론 중계 시스템의 이론적 상한선에 매우 가까운 성능을 달성한다.
• AIS 알고리즘은 빠르게 수렴하며 시뮬레이션 결과, 세 가지 기준 대비 상당히 높은 가용 속도를 확보한다.
• 닫힌 형태의 드론 위치 설정 솔루션은 LoS 링크를 보장하고 가용 속도 상한선을 극대화하는 강력한 초기 배치 지점을 제공한다.
• beamforming 설계는 최대 하나의 beamforming 벡터 요소만 상수 모듈러스 제약 조건을 위반함으로써 실용적 구현이 가능하도록 한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 기존의 전통적 방법보다 뛰어나며, 고속 이동성 또는 장애물이 있는 환경에서 특히 두각을 나타낸다.
• 위치, beamforming, 전력 제어의 공동 최적화는 별도 또는 부분 최적 설계 방법에 비해 상당한 속도 향상을 이룬다.