[논문 리뷰] Minimum Throughput Maximization in UAV-Aided Wireless Powered Communication Networks

Junhee Park, Hoon Lee외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 09.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 23인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 드론 기반 무선 전력 공급 통신 네트워크에서 에너지 제약이 있는 지상 단말기들 간의 최소 신속도를 최대화하기 위해 드론의 항로, 업링크 전력 제어 및 시간 자원 할당을 공동 최적화하는 방법을 제안한다. 통합형과 분리형 드론 WPCN 두 가지 아키텍처를 제안하고, 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 볼록 근사화 기법을 적용하여, 분리형 드론 설계에서는 통합형 대비 최대 15% 높은 최소 신속도를 달성한다.

ABSTRACT

This paper investigates unmanned aerial vehicle (UAV)-aided wireless powered communication network (WPCN) systems where a mobile access point (AP) at the UAV serves multiple energy-constrained ground terminals (GTs). Specifically, the UAVs first charge the GTs by transmitting the wireless energy transfer (WET) signals in the downlink. Then, by utilizing the harvested wireless energy from the UAVs, the GTs send their uplink wireless information transmission (WIT) signals to the UAVs. In this paper, depending on the operations of the UAVs, we adopt two different scenarios, namely integrated UAV and separated UAV WPCNs. First, in the integrated UAV WPCN, a UAV acts as a hybrid AP in which both energy transfer and information reception are processed at a single UAV. In contrast, for the separated UAV WPCN, we consider two UAVs each of which behaves as an energy AP and an information AP independently, and thus the energy transfer and the information decoding are separately performed at two different UAVs. For both systems, we jointly optimize the trajectories of the UAVs, the uplink power control, and the time resource allocation for the WET and the WIT to maximize the minimum throughput of the GTs. Since the formulated problems are non-convex, we apply the concave-convex procedure by deriving appropriate convex bounds for non-convex constraints. As a result, we propose iterative algorithms which efficiently identify a local optimal solution for the minimum throughput maximization problems. Simulation results verify the efficiency of the proposed algorithms compared to conventional schemes.

연구 동기 및 목표

• 정적 무선 전력 공급 통신 네트워크(WPCN)에서 이중 근거리 문제를 드론 이동성의 이점을 활용하여 해결한다.
• 드론을 이동형 에너지 및 정보 액세스 포인트로 활용하여 에너지 제약이 있는 지상 단말기(GT)를 지원하는 드론 보조 WPCN 시스템을 설계한다.
• 드론 항로, 업링크 전력 제어 및 시간 자원 할당을 공동 최적화하여 GT 간 최소 신속도를 최대화한다.
• 통합형 드론(에너지 및 정보를 위한 단일 드론)과 분리형 드론(에너지 및 정보를 위한 전용 드론) 두 시스템 아키텍처를 비교한다.
• 드론-WPCN의 비볼록 최적화 문제를 위한 효율적인 반복 알고리즘을 개발하고 수렴성 보장한다.

제안 방법

• 통합형 및 분리형 드론 WPCN 시나리오에서 최소 신속도를 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록 제약 조건을 볼록 근사화하여 해석 가능한 부분문제로 근사화하기 위해 볼록-볼록 절차(CCCP)를 적용한다.
• 교차 최적화를 사용하여 항로, 전력 및 시간 할당 변수를 분리하고 반복적으로 해결한다.
• 비볼록 신속도 및 에너지 인과성 제약 조건에 대해 볼록 하한을 유도하여 CCCP 기반 알고리즘의 수렴성을 보장한다.
• 무선 에너지 전송(WET) 및 무선 정보 전송(WIT) 단계에 대해 드론 항로, 업링크 전송 전력 및 시간 할당을 공동 최적화하는 반복 알고리즘을 구현한다.
• CCCP 프레임워크를 사용하여 제안된 알고리즘이 국소 최적해로 수렴함을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 액세스 포인트 대비 드론 이동성이 WPCN에서 최소 신속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 에너지 및 정보를 전용 드론이 담당하는 분리형 드론 아키텍처가 통합형 드론 설계에 비해 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 드론 항로, 업링크 전력 및 시간 자원 할당을 공동 최적화하면 시스템의 공정성 및 신속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 항로 최적화가 WPCN에서 이중 근거리 문제를 어느 정도 완화하는가?
• RQ5 제안된 알고리즘은 어떻게 수렴하며, 정적 AP, 원형 경로, 등분할 배정(ETA)과 같은 기준 기반 기법 대비 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 시간 간격 T = 100초일 때, 분리형 드론 WPCN은 통합형 드론 WPCN 대비 약 15% 높은 최소 신속도를 달성한다.
• 제안된 알고리즘은 기존 기반 기반 기법보다 뚜렷한 성능 향상을 보이며, 정적 AP 기반 기법은 이중 근거리 문제로 인해 성능이 열 劣하다. 원형 경로 및 등분할 배정(ETA) 기법은 점진적인 성능 향상을 보이지만 제한적이다.
• 에너지가 확보될 경우 최대 전력으로 전송하는 나이브 전력 제어(NPC) 기법은 최적화된 기법보다 열 劣한 성능을 보이며, 공동 최적화의 중요성을 입증한다.
• 시간 간격 T가 증가할수록 제안된 알고리즘의 기반 기반 기법 대비 성능 향상이 커지며, 이는 장시간 운영에서 항로 및 시간 최적화가 핵심임을 시사한다.
• 알고리즘은 빠른 수렴성을 보이며, 통합형 드론 WPCN에서는 한 번의 반복 내에 수렴하고, 분리형 드론 WPCN에서는 약 세 번의 반복 내에 수렴한다.
• 통합형 드론 WPCN의 최적화된 항로는 GT 위치를 연결하는 경로로 수렴하며, 선분 투어 형태를 띤다. 반면 분리형 드론 WPCN은 운영이 분리되어 있어 더 복잡하고 비직관적인 경로를 보인다.