[논문 리뷰] UAV-Aided Wireless Communication Designs With Propulsion Energy Limitations

Subin Eom, Hoon Lee외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 09.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 14인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 추진 에너지 제약 조건 하에서 다중 지상 노드를 갖는 드론 기반 통신 시스템에서 드론의 궤적, 속도, 가속도 및 업링크 전송 전력의 공동 최적화를 제안한다. 순차적 볼록 근사(Sequential Convex Approximation, SCA) 기법을 사용하여, 현실적인 에너지 제약 조건 하에서 이동성과 전력 제어를 공동으로 관리함으로써 에너지 효율성은 109% 향상되고 기준 대비 259% 향상된 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

This paper studies unmanned aerial vehicle (UAV) aided wireless communication systems where a UAV supports uplink communications of multiple ground nodes (GNs) while flying over the area of the interest. In this system, the propulsion energy consumption at the UAV is taken into account so that the UAV's velocity and acceleration should not exceed a certain threshold. We formulate the minimum average rate maximization problem and the energy efficiency (EE) maximization problem by jointly optimizing the trajectory, velocity, and acceleration of the UAV and the uplink transmit power at the GNs. As these problems are non-convex in general, we employ the successive convex approximation (SCA) techniques. To this end, proper convex approximations for the non-convex constraints are derived, and iterative algorithms are proposed which converge to a local optimal point. Numerical results demonstrate that the proposed algorithms outperform baseline schemes for both problems. Especially for the EE maximization problem, the proposed algorithm exhibits about 109 % gain over the baseline scheme.

연구 동기 및 목표

• 드론 추진 에너지의 실용적 제약 조건이 무선 통신 시스템의 운영 효율성에 미치는 영향을 다루기.
• 드론 추진 에너지 제약 조건 하에서 최소 평균 전송률 최대화 및 에너지 효율성(EE) 최대화 문제를 수립하기.
• 실제 비행 역학 조건 하에서 드론의 궤적, 속도, 가속도 및 지상 노드의 업링크 전송 전력을 공동으로 최적화하여 시스템 성능 향상하기.
• 비볼록 최적화 문제의 비볼록성을 제거하기 위해 볼록 대체 함수와 반복적 SCA 기반 알고리즘을 활용하기.
• 원형 궤적 및 제약 없는 전송률 최대화와 같은 기준 대비 알고리즘에 비해 전송률 및 EE 측정 기준에서 뛰어난 성능을 입증하기.

제안 방법

• 다수의 지상 노드와 단일 드론을 포함하는 드론 기반 업링크 통신 시스템을 수립하고, 공기-지상 링크 채널과 간섭을 모델링하기.
• 궤적과 전송 전력 최적화를 분리하기 위해 보조 변수를 도입하여 추진 에너지 제약 조건 하에서 공동 설계 가능하게 하기.
• 비볼록 최적화 문제를 반복적으로 해결하기 위해 순차적 볼록 근사(Sequential Convex Approximation, SCA) 기법을 적용하고, 비볼록 제약 조건을 볼록 대체 함수로 근사하기.
• 드론과 지상 노드 간의 제곱 거리의 역수와 같은 핵심 비볼록 항목에 대해 볼록 대체 함수를 유도하여 국소 최적해 수렴 보장하기.
• 최소 전송률 최대화 및 EE 최대화 문제에 대해 각각 반복 알고리즘 설계하며, SCA 프레임워크에 의해 수렴 보장하기.
• 드론의 속도와 가속도에 따라 변하는 추진 에너지 모델의 볼록 근사를 사용하여 궤적의 물리적 타당성 확보하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드론 추진 에너지 제약 조건을 통합할 경우, 업링크 다중 노드 시스템에서 최적의 드론 궤적 및 전송 전력 할당 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 드론 궤적, 속도, 가속도 및 지상 노드의 업링크 전력 할당을 공동 최적화함으로써 현실적인 에너지 제약 조건 하에서 시스템 성능 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ3 원형 궤적 또는 제약 없는 전송률 최대화와 같은 기준 대비 SCA 기반 공동 최적화를 사용할 경우 얻을 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ4 추진 에너지를 명시적으로 고려할 경우 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간의 트레이드오프는 어떻게 나타나는가?
• RQ5 비볼록 제약 조건에 대한 볼록 대체 함수는 드론 이동성 및 전력 제어 설계에서 국소 최적해 수렴을 얼마나 잘 가능하게 하는가?

주요 결과

• 제안된 에너지 효율성 최대화를 위한 SCA 기반 알고리즘은 원형 궤적 기준 대비 약 109% 높은 에너지 효율성(EE)을 달성한다.
• 에너지 효율성 최대화 알고리즘은 추진 에너지 제약을 忽시하는 제약 없는 최소 전송률 최대화 설계 대비 259% 향상된 성능 향상을 보인다.
• 최소 전송률 최대화 알고리즘은 추진 에너지 제약 조건 하에서 평균 전송률 측면에서 기준 대비 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 제안된 EE 설계 하에서 드론 궤적은 저속 및 부드러운 가속 프로파일을 보이며 추진 에너지 소비를 최소화한다.
• 드론 이동성과 전송 전력의 공동 최적화로 인해 노드 간 간섭이 감소하고 스펙트럼 및 에너지 효율성이 향상된다.
• 수치 결과는 제안된 알고리즘이 국소 최적해로 수렴하며 전송률 및 에너지 효율성 측정 기준에서 상당한 성능 향상을 제공함을 확인한다.