[논문 리뷰] Throughput Maximization for Wireless Communication systems with Backscatter- and Cache-assisted UAV Technology

Dinh Hieu Tran, Sumit Gautam외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 16.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 44인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 선형 및 비선형 에너지 수확 모델 하에서 시간 분할 비율, 백스캐터 계수 및 드론 경로를 공동 최적화함으로써 무선 네트워크에서의 전송률을 극대화하기 위해 백스캐터 및 캐시 기반 드론(UB) 시스템을 제안한다. 저자들은 KKT 조건과 순차적 볼록 근사( successive convex approximation)를 활용한 효율적인 교차 알고리즘을 개발하여 기준 대비 뚜렷한 전송률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicle (UAV) has been widely adopted in wireless systems due to its flexibility, mobility, and agility. Nevertheless, a limited onboard battery greatly hinders UAV to prolong the serving time from communication tasks that need a high power consumption in active RF communications. Fortunately, caching and backscatter communication (BackCom) are appealing technology for energy efficient communication systems. This motivates us to investigate a wireless communication network with backscatter- and cache-assisted UAV technology. We assume a UAV with a cache memory is deployed as a flying backscatter device (BD), term the UAV-enabled BD (UB), to relay the source's signals to the destination. Besides, the UAV can harvest energy from the source's RF signals and then utilizes it for backscattering information to the destination. In this context, we aim to maximize the total throughput by jointly optimizing the dynamic time splitting (DTS) ratio, backscatter coefficient, and the UB's trajectory with caching capability at the UB corresponding to linear energy harvesting (LEH) and non-linear energy harvesting (NLEH) models. These formulations are troublesome to directly solve since they are mixed-integer non-convex problems. To find solutions, we decompose the original problem into three subproblems, whereas we first optimize the DTS ratio for a given backscatter coefficient and UB's trajectory, followed by the backscatter coefficient optimization for a given DTS ratio and UB's trajectory, and the UB's trajectory is finally optimized for a given DTS ratio and backscatter coefficient. Finally, the intensive numerical results demonstrate that our proposed schemes achieve significant throughput gain in comparison to the benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 고출력 활성 RF 통신 시스템에서 드론의 제한된 배터리 수명 문제를 해결하기 위해.
• 드론에 백스캐터 통신 및 캐싱을 통합하여 스펙트럼 및 에너지 효율을 향상시키기 위해.
• 실제 에너지 수확 제약 조건 하에서 동적 시간 분할 및 경로 최적화를 통해 시스템 전송률을 극대화하기 위해.
• 드론 보조 네트워크에서 비볼록 혼합정수 최적화 문제를 위한 저복잡도 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 선형 에너지 수확(LEH) 및 비선형 에너지 수확(NLEH) 모델 하에서 전송률 극대화를 위한 혼합정수 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 문제를 세 부분 문제로 분해한다: 시간 분할 비율, 백스캐터 계수, 드론 경로 최적화로, 교차적으로 해결한다.
• 카루시-쿤-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건을 활용해 시간 분할 비율 및 백스캐터 계수의 폐형 최적 해를 유도한다.
• 비볼록 드론 경로 부분 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 근사( Successive Convex Approximation, SCA) 기법을 적용한다.
• 블록 좌표 강하( Block Coordinate Descent, BCD) 기법을 활용해 세 변수를 조율된 방식으로 반복 최적화한다.
• 실제 채널 및 에너지 제약 조건 하에서 LEH 및 NLEH 모델 모두에서 접근 방식을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고출력 RF 전송을 수반하는 무선 통신 시스템에서 드론의 에너지 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 전송률을 극대화하기 위해 시간 분할, 백스캐터 계수 및 드론 경로를 공동 최적화할 경우 최적의 설계는 어떻게 되는가?
• RQ3 선형 및 비선형 에너지 수확 모델이 백스캐터 기반 드론 네트워크의 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 계산 복잡도를 감소시키기 위해 주요 시스템 파라미터에 대해 폐형 해를 도출할 수 있는가?
• RQ5 드론 네트워크에 캐싱 및 백스캐터 통신을 통합함으로써 달성 가능한 전송률 향상 수준는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 선형 및 비선형 에너지 수확 환경 모두에서 기준 대비 뚜렷한 전송률 향상을 달성한다.
• 최적의 시간 분할 비율 및 백스캐터 계수에 대한 폐형 표현식을 도출하여 계산 시간을 크게 감소시켰다.
• 순차적 볼록 근사( Successive Convex Approximation, SCA) 기법을 통해 비볼록 제약 조건 하에서도 효율적인 경로 최적화를 가능하게 하였다.
• 시간 분할, 백스캐터 계수 및 드론 경로의 공동 최적화가 더 높은 스펙트럼 및 에너지 효율을 이끌어냈다.
• 비선형 에너지 수확 모델 하에서는 선형 모델 대비 시스템 성능이 뚜렷이 향상되었다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 교차 알고리즘이 실용적인 드론 배치 환경에서 수렴성과 효과성을 확인시켰다.