[논문 리뷰] Multi-Beam UAV Communication in Cellular Uplink: Cooperative Interference Cancellation and Sum-Rate Maximization

Liang Liu, Shuowen Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 01.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 20인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 셀룰러 네트워크의 다중 빔 UAV 업링크에 대한 협력적 간섭 제거 전략을 제안하여 간섭 제약 하에서 점유된 GBS를 보호하면서 UAV 합계 속도(sum-rate)를 극대화하고, 고-SNR에서 DoF를 분석한다.

ABSTRACT

Integrating unmanned aerial vehicles (UAVs) into the cellular network as new aerial users is a promising solution to meet their ever-increasing communication demands in a plethora of applications. Due to the high UAV altitude, the channels between UAVs and the ground base stations (GBSs) are dominated by the strong line-of-sight (LoS) links, thus severe interference may be generated to/from the GBSs in the uplink/downlink, which renders the interference management with coexisting terrestrial and aerial users a more challenging problem to solve. In this paper, we study the uplink communication from a multi-antenna UAV to a set of GBSs in its signal coverage region. Among these GBSs, we denote available GBSs as the ones that do not serve any terrestrial users at the assigned resource block (RB) of the UAV, and occupied GBSs as the rest that are serving their respectively associated terrestrial users in the same RB. We propose a new cooperative interference cancellation strategy for the multi-beam UAV uplink communication, which aims to eliminate the co-channel interference at each of the occupied GBSs and in the meanwhile maximize the sum-rate to the available GBSs. Specifically, the multi-antenna UAV sends multiple data streams to selected available GBSs, which in turn forward their decoded data streams to their backhaul-connected occupied GBSs for interference cancellation. To draw useful insights, the maximum degrees-of-freedom (DoF) achievable by the multi-beam UAV communication for sum-rate maximization in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime is first characterized, subject to the stringent constraint that all the occupied GBSs do not suffer from any interference in the UAV's uplink transmission. Then, based on the DoF-optimal design, the achievable sum-rate at finite SNR is maximized, subject to given maximum allowable interference power constraints at each occupied GBS.

연구 동기 및 목표

• 셀룰러를 가능하게 하는 UAV 업링크를 도입하여 UAV 페이로드 및 제어 신호에 대한 높은 데이터 속도를 충족한다.
• 인접한 GBS 간의 광대역(backhaul) 연결을 활용한 협력 간섭 제거 전략을 개발한다.
• 간섭 온도 제약하에서 UAV 업링크의 최대 Degrees-of-Freedom(DoF)을 특성화한다.
• DoF-가이드 빔포밍 설계를 사용하여 finite SNR에서 UAV 합계 속도를 최대화한다.
• 인지형 빔포밍, NOMA, CoMP와 같은 벤치마크와의 성능 비교를 수행한다.

제안 방법

• M개의 안테나를 가진 UAV가 N개의 GBS로 전송하며, GBS를 점유된 그룹과 사용 가능한 그룹으로 나눈다.
• 이용 가능한 GBS가 UAV 스트림을 디코딩하고 연결된 점유된 GBS로 전달하여 간섭 제거를 수행하는 협력 간섭 제거를 제안한다.
• 데이터 스트림 J, 연결 Λj, 빔포워 wj, 속도 Rj의 결합 설계와 함께 간섭 온도 제약하에서 합계 속도 최대화 문제를 형식화한다.
• 공백(backhaul) 보조 간섭 제거 하에서 J가 실현 가능한지 최대화하기 위해 제로 포스팅(zero-forcing) 제약을 사용하여 고- SNR 영역에서 DoF 분석을 수행한다.
• DoF 최적의 연결에 의해 안내되는 순차적인 볼록 근사(sequential convex approximation) 기반의 finite-SNR 빔포밍 알고리즘을 개발한다.
• 인지형 빔포밍, NOMA, CoMP 벤치마크와의 수치 결과를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 협력 간섭 제거를 통해 점유된 GBS에서 terrestrial 업링크를 보호하면서 UAV 업링크 합계 속도를 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 간섭 제약 및 backhaul 보조 간섭 제거 하에서 다중 빔 UAV 업링크의 최대 DoF는 얼마인가?
• RQ3 백끝 기반 간섭 제거를 가능하게 하기 위해 데이터를 어떤 방식으로 사용 가능한 GBS에 연관시켜야 하는가?
• RQ4 간섭 온도 제약 하에서 거의 최적의 합계 속도를 달성하는 finite-SNR 빔포밍 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 협력 간섭 제거 전략은 간섭 제약 하에서 cognitive beamforming이나 NOMA보다 더 많은 데이터 스트림을 전송할 수 있게 한다.
• DoF 분석은 점유된 GBS에서 무간섭 조건을 만족시키는 경우 제안된 전략이 벤치마크보다 더 높은 DoF를 보임을 보여준다.
• DoF-최적 데이터 스트림 연관은 순차적 볼록 근사(SCA)를 통한 실용적 finite-SNR 빔포밍 설계에 지침을 제공한다.
• finite-SNR 빔포밍 알고리즘은 시뮬레이션에서 cognitive beamforming에 비해 상당한 합계 속도 이득을 달성한다.
• 수치 결과는 DoF 인사이트를 검증하고 벤치마크 스킴에 대한 성능 이점을 입증한다.