[논문 리뷰] UAV-Assisted and Intelligent Reflecting Surfaces-Supported Terahertz Communications

Yijin Pan, Kezhi Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 지능형 반사 표면(IRS)으로 향상된 무인항공기(UAV) 지원 테라헤르츠(THz) 통신을 위한 공동 최적화 프레임워크를 제안한다. UAV 항로, IRS 위상 이동, 대역 분할 할당, 전력 제어를 공동으로 최적화하여 최소 사용자 데이터 전송률을 극대화한다. 이 방법은 비율 제약 페널티를 적용한 순차적 볼록 근사(CAR)와 폐쇄형 위상 이동 해법을 사용하여 시뮬레이션에서 기준선 대비 뚜렷한 전송률 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, unmanned aerial vehicles (UAVs) and intelligent reflective surface (IRS) are utilized to support terahertz (THz) communications. To this end, the joint optimization of UAV's trajectory, the phase shift of IRS, the allocation of THz sub-bands, and the power control is investigated to maximize the minimum average achievable rate of all the users. An iteration algorithm based on successive Convex Approximation with the Rate constraint penalty (CAR) is developed to obtain UAV's trajectory, and the IRS phase shift is formulated as a closed-form expression with introduced pricing factors. Simulation results show that the proposed scheme significantly enhances the rate performance of the whole system.

연구 동기 및 목표

• UAV 이동성과 IRS 재구성 가능성을 활용하여 테라헤르츠(THz) 대역에서 심한 경로 손실과 차단 문제를 해결한다.
• 기존의 단일 대역 분할 IRS-UAV 시스템의 한계를 극복하기 위해, THz 채널을 거리에 따라 달라지는 대역 분할로 모델링한다.
• UAV 항로, IRS 위상 이동, 대역 분할 할당, 전력 제어를 공동으로 최적화하여 모든 지상 사용자의 최소 평균 구현 전송률을 극대화한다.
• 비볼록성을 다루는 실용적인 알고리즘을 개발하여 문제를 다룰 수 있는 방법을 제공한다.
• 고속도, 고주파수 THz 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 공정성을 향상시키는 데 제안된 기법의 효과를 검증한다.

제안 방법

• 비볼록 공동 최적화 문제를 UAV 항로, IRS 위상 이동, THz 대역 분할/전력 할당의 세 개의 하위문제로 분해한다.
• 비율 제약 페널티를 적용한 순차적 볼록 근사(스카)를 사용하여, 목적 함수 값이 감소하지 않도록 반복적으로 UAV 항로를 최적화한다.
• 가격 인자( pricing factors )를 사용하여 사용자 전송률 제약 조건과의 균형을 맞추고 수렴성을 향상시키기 위해 IRS 위상 이동의 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• UAV 항로와 IRS 위상 이동을 고정한 후, 이중 기반 방법을 사용하여 대역 분할 할당 및 전력 제어 하위문제를 해결한다.
• 하위문제들을 통합하여, 반복적으로 항로, 위상 이동, 자원 할당을 최적화하는 반복 알고리즘(알고리즘 2)을 구성한다. 수렴할 때까지 반복한다.
• 강하 기반 내림값을 사용하여 페널티 방법에서 가격 인자를 갱신하여 전송률 제약 조건이 점진적으로 충족되도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 이동성과 IRS 재구성 가능성이 함께 어떻게 테라헤르츠 대역의 경로 손실과 차단 문제를 완화할 수 있는가?
• RQ2 다중 대역 분할을 가진 IRS 보조 THz 시스템에서 최소 사용자 전송률을 극대화하는 최적의 UAV 항로는 무엇인가?
• RQ3 고속도 THz 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 공정성을 향상시키기 위해 IRS 위상 이동은 어떻게 동적으로 조정되어야 하는가?
• RQ4 거리에 따라 달라지는 경로 손실 조건 하에서, 최소 사용자 전송률을 극대화하는 대역 분할 할당 및 전력 제어 전략은 무엇인가?
• RQ5 UAV 항로, IRS 위상 이동, 대역 분할, 전력 제어의 공동 최적화가 고정되거나 무작위로 선택된 구성보다 성능이 뛰어나다고 할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 기준선 대비 뚜렷하게 높은 최소 평균 사용자 전송률을 달성하며, 반복 과정이 진행될수록 성능 격차가 커진다.
• 최적화된 UAV 항로로 인해 초기 항로 대비 비행 거리가 감소하여 에너지 절감과 함께 IRS 및 채널 다양성의 효과적인 활용이 가능하다.
• 제안된 알고리즘의 수렴성이 검증되었으며, 유한한 반복 수 이후 최소 전송률이 안정화됨을 확인하였다.
• IRS 위상 이동에 대한 폐쇄형 해법은 효율적인 계산을 가능하게 하여 알고리즘의 확장성 향상에 기여한다.
• CAR 기반 항로 최적화로 인해 목적 함수 값이 감소하지 않으며, 의미 있는 해에 수렴함을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과, 모든 시스템 파라미터(항로, 위상 이동, 대역 분할, 전력)의 공동 최적화가 고정되거나 무작위로 선택된 파라미터를 사용한 경우에 비해 뛰어난 성능을 보였다.