[논문 리뷰] Optimal Resource Allocation for Multi-UAV Assisted Visible Light Communication

Yihan Cang, Ming Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 24.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 30인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능 지능 표면(RIS)으로 향상된 다중 UAV 보조 가시광선 통신(VLC) 시스템을 위한 최적의 자원 할당 프레임워크를 제안한다. 교차 알고리즘을 통해 UAV 배치, RIS 위상 이동, 사용자/RIS 연결을 공동 최적화함으로써, RIS가 없는 시스템 대비 총 UAV 전송 전력 소비를 최대 34.85% 감소시키며, RIS 요소 수와 개수를 늘일수록 성능 향상이著명하다.

ABSTRACT

In this paper, the optimization of deploying unmanned aerial vehicles (UAVs) over a reconfigurable intelligent surfaces (RISs)-assisted visible light communication (VLC) system is studied. In the considered model, UAVs are required to simultaneously provide wireless services as well as illumination for ground users. To meet the traffic and illumination demands of the ground users while minimizing the energy consumption of the UAVs, one must optimize UAV deployment, phase shift of RISs, user association and RIS association. This problem is formulated as an optimization problem whose goal is to minimize the transmit power of UAVs via adjusting UAV deployment, phase shift of RISs, user association and RIS association. To solve this problem, the original optimization problem is divided into four subproblems and an alternating algorithm is proposed. Specifically, phases alignment method and semidefinite program (SDP) algorithm are proposed to optimize the phase shift of RISs. Then, the UAV deployment optimization is solved by the successive convex approximation (SCA) algorithm. Since the problems of user association and RIS association are integer programming, the fraction relaxation method is adopted before using dual method to find the optimal solution. For simplicity, a greedy algorithm is proposed as an alternative to optimize RIS association. The proposed two schemes demonstrate the superior performance of 34:85% and 32:11% energy consumption reduction over the case without RIS, respectively, through extensive numerical study.

연구 동기 및 목표

• 지상 사용자의 통신 및 조명 수요를 동시에 충족시키는 다중 UAV VLC 네트워크에서 에너지 소비를 최소화하는 문제를 해결하기 위해.
• 특히 장애물이 있는 실외 환경에서 신호 커버리지와 에너지 효율성을 향상시키기 위해 UAV 보조 VLC 시스템에 RIS를 통합하기 위해.
• 총 전송 전력 최소화를 위해 UAV 배치, RIS 위상 이동, 사용자 연결 및 RIS 연결을 공동 최적화하기 위해.
• 비볼록성과 혼합정수 성격을 가진 최적화 문제를 다룰 수 있는 확장 가능한 반복 알고리즘을 개발하기 위해.
• 다양한 구성에서 RIS 도입의 성능 향상, 즉 에너지 절감과 계산 효율성 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 공동 최적화 문제를 UAV 배치, RIS 위상 이동, 사용자 연결, RIS 연결의 네 개의 하위 문제로 분해한다.
• VLC 고유의 비음수 및 실수 신호 제약 조건을 고려해 RIS 위상 이동을 최적화하기 위해 위상 정렬 방법과 정수형 프로그래밍(SDP)을 적용한다.
• 비볼록성 있는 UAV 배치 최적화 문제를 반복적으로 해결하기 위해 순차적 볼록 근사(ScA) 알고리즘을 사용한다.
• 분수 완화와 이중 분해를 통해 정수 프로그래밍 기반의 사용자 및 RIS 연결 문제를 해결한다.
• 계산 비용을 줄이기 위해 RIS 연결을 위한 저복잡도 대체 방법으로 탐욕 알고리즘을 제안한다.
• 각 변수 그룹을 번갈아가며 업데이트하면서 나머지 변수는 고정하는 교차 최적화 프레임워크를 구현하여, 부분 최적해이지만 실용적인 해에 수렴함을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS가 포함된 다중 UAV VLC 시스템에서, 사용자 트래픽과 조명 수요를 충족시키면서 총 전송 전력 소비를 최소화하기 위해 UAV를 어떻게 최적의 위치에 배치할 수 있는가?
• RQ2 RIS 도입, 특히 RIS의 수와 반사 요소 수가 UAV-VLC 네트워크의 시스템 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 RIS 위상 이동, UAV 위치, 사용자 연결을 공동 최적화할 경우, 기존의 RIS가 없는 시스템이나 최적화되지 않은 설정 대비 총 전송 전력은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 다양한 RIS 연결 전략(예: 전역 최적화 대비 탐욕적 접근)을 사용할 경우, 에너지 효율성과 계산 복잡도 사이의 상충 관계는 어떻게 나타나는가?
• RQ5 RIS를 통해 UAV-RIS-사용자 링크를 통해 중계 경로를 형성함으로써, 장애물이 있는 실외 VLC 환경에서 LOS 유사 링크를 효과적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 10명의 지상 사용자를 서비스할 경우, 제안된 스킴 I는 RIS가 없는 기준선 대비 총 전송 전력 소비를 최대 34.85% 감소시킨다.
• 동일한 조건에서 스킴 II는 총 전송 전력 소비를 최대 32.11% 감소시켜 낮은 계산 비용에도 불구하고 뛰어난 성능을 보인다.
• 반사 요소 수가 5개인 RIS 하나를 추가함으로써, 위상 이동 최적화 없이도 총 전송 전력 소비가 평균 23.01%(스킴 I) 및 18.58%(스킴 II) 감소한다.
• RIS의 수와 각 RIS당 반사 요소 수가 증가할수록 총 전송 전력 소비가 감소함을 확인하여, RIS 도입의 확장성과 유용성을 입증한다.
• 스킴 I는 에너지 효율성에서 스킴 II를 능가하지만, 실행 시간이 더 오래 걸리며(예: 15명의 사용자 기준 11.23초 대비 5.03초) 시간이 중요한 응용 분야에서는 스킴 II가 더 바람직하다.
• 최적의 UAV 위치는 일반적으로 관련 사용자 및 RIS 주변에 집중되어 있으며, 일부 경우에선 재할당이 총 전력 소비를 줄일 수 있어 한 대의 UAV가 비활성화되는 경우도 있으며, 이는 동적 로드 밸런싱의 가능성을 시사한다.