[논문 리뷰] UAV-Aided Cellular Offloading: A Potential Solution to Hot-Spot Issue in 5G

Jiangbin Lyu, Yong Zeng외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 25.

UAV Applications and Optimization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 5G 핫스팟의 기지국 에지 사용자를 오프로딩하기 위해 공중 기지국을 사용하는 드론 기반 하이브리드 셀룰러 네트워크를 제안한다. 정규화된 다중접근(OMA) 및 공유 스펙트럼 접근 하에서 드론 궤도, 대역폭 할당, 사용자 분할을 공동 최적화함으로써 기존 네트워크에 비해 최소 사용자 Throughput 및 공간적 Throughput을 크게 향상시키며, 스펙트럼 재사용은 약간의 복잡성 증가를 감수하면서도 추가적인 성능 향상을 제공한다.

ABSTRACT

In conventional terrestrial cellular networks, mobile terminals (MTs) at the cell edge often pose a performance bottleneck due to their long distances from the serving ground base station (GBS), especially in hotspot period when the GBS is heavily loaded. This paper proposes a new hybrid network architecture by leveraging the use of unmanned aerial vehicle (UAV) as an aerial mobile base station, which flies cyclically along the cell edge to offload data traffic for cell-edge MTs. We aim to maximize the minimum throughput of all MTs by jointly optimizing the UAV's trajectory, bandwidth allocation and user partitioning. We first consider orthogonal spectrum sharing between the UAV and GBS, and then extend to spectrum reuse where the total bandwidth is shared by both the GBS and UAV with their mutual interference effectively avoided. Numerical results show that the proposed hybrid network with optimized spectrum sharing and cyclical multiple access design significantly improves the spatial throughput over the conventional GBS-only network; while the spectrum reuse scheme provides further throughput gains at the cost of slightly higher complexity for interference control. Moreover, compared to the conventional small-cell offloading scheme, the proposed UAV offloading scheme is shown to outperform in terms of throughput, besides saving the infrastructure cost.

연구 동기 및 목표

• 중요한 부하가 가해진 5G 네트워크에서 기지국 에지 사용자로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 소셀룰러 배치에 비해 백홀 및 인프라 비용을 줄이기 위해.
• 모든 이동 단말기 간 최소 Throughput을 최대화하기 위해 공동 최적화를 수행하기 위해.
• 드론과 지상 기지국 간 정규화된 다중접근 및 스펙트럼 재사용 전략을 평가하기 위해.

제안 방법

• 드론을 공중 이동 기지국으로 활용하여 셀 에지 주위를 순환 비행하는 하이브리드 네트워크 아키텍처를 제안한다.
• 최소 사용자 Throughput을 최대화하기 위해 드론 궤도, 대역폭 할당, 사용자 분할을 최적화한다.
• 정규화된 다중접근(OMA) 기반 시스템을 모델링한 후 간섭 완화 기법을 적용하여 비정규화된 스펙트럼 재사용으로 확장한다.
• 부하 균형 및 공정성 향상을 위해 궤도 및 자원 할당의 공동 최적화를 수행한다.
• 상호 간섭을 효과적으로 관리하기 위해 간섭 인식 설계를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드론 보조 오프로딩은 기존의 GBS 전용 네트워크에 비해 최소 사용자 Throughput을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 드론과 지상 기지국 간의 스펙트럼 재사용을 통해 달성 가능한 성능 향상은 무엇인가?
• RQ3 제안된 궤도 및 자원 할당 최적화는 전통적인 소셀룰러 오프로딩에 비해 Throughput 및 비용 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 스펙트럼 재사용에서 스펙트럼 효율성 향상과 시스템 복잡성 간의 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 드론 보조 네트워크는 기존의 GBS 전용 네트워크에 비해 공간적 Throughput을 크게 향상시킨다.
• 스펙트럼 재사용은 정규화된 접근에 비해 추가적인 Throughput 향상을 제공하지만, 간섭 관리 복잡성은 약간 증가한다.
• 드론 궤도, 대역폭, 사용자 분할의 공동 최적화가 최소 사용자 Throughput을 최대화하여 공정성을 향상시킨다.
• 드론 오프로딩 기법은 Throughput 및 인프라 비용 효율성 측면에서 기존의 소셀룰러 오프로딩을 뛰어넘는 성능을 보인다.