[논문 리뷰] UAV-assisted Cooperative Communications with Wireless Information and Power Transfer

Sixing Yin, Jing Tan외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 30.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 19인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 무인 항공기(UAV)가 전력 분할을 통해 동시 무선 정보 및 전력 전송(SWIPT)을 통해 구동되는 이동 중계기로 기능하는 UAV 보조 협업 통신 시스템을 제안한다. 이중 분해와 순차적 볼록 프로그래밍을 사용한 교차 최적화를 통해 UAV의 항로, 전력 프로파일, 전력 분할 비율을 공동으로 최적화함으로써, 종단 간 전송량을 최대화한다. 이는 앰플리파이 앤 포워드 프로토콜에서 특히 뛰어난 성능을 발휘하며 정적 및 탐욕 전략보다 뛰어난 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we focus on a typical cooperative communication system with one pair of source and destination, where a unmanned aerial vehicle (UAV) flying from a start location to an end location serves as a mobile relay. To efficiently utilize energy in ambient environment, the UAV's transmission capability is powered exclusively by radio signal transmitted from the source via the power-splitting mechanism. In such a cooperative communication system, we study the end-to-end cooperative throughput maximization problem by optimizing the UAV's power profile, power-splitting ratio profile and trajectory for both amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) protocols. The problem is decomposed into two subproblems: profile optimization given trajectory and trajectory optimization given profile. The former one is solved via the dual decomposition with in-depth analysis and the latter one is solved via successive convex optimization, by which a lower bound is iteratively maximized. Then the end-to-end cooperative throughput maximization problem is solved by alternately solving the two subproblems. The numerical results show that with the proposed optimal solution, choice for the UAV's power profile and power-splitting ratio profile is more long-sighted than the greedy strategy from our previous work and the successive optimization is able to converge in a few rounds of iteration. Moreover, as for the end-to-end cooperative throughput, the proposed optimal solution outperforms both static and greedy strategies, especially for the AF protocol.

연구 동기 및 목표

• 원천을 통해 SWIPT를 통한 무선 전력 전송을 통해 UAV의 에너지 제약을 해결하기 위해.
• 제한된 UAV 에너지와 동적 채널 조건이라는 실용적 제약 조건 하에서 UAV 보조 시스템의 종단 간 협업 전송량을 최대화하기 위해.
• 암호화 및 전달(AF) 및 디코딩 및 전달(DF) 중계 프로토콜 모두에 대해 UAV의 항로, 전력 프로파일, 전력 분할 비율을 공동으로 최적화하기 위해.
• 수렴성이 보장되는 타당한 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• SWIPT 제약 조건 하에서 UAV 항로, 전력 프로파일, 전력 분할 비율을 공동으로 최적화함으로써 전송량 최대화 문제를 수립한다.
• 문제를 두 개의 하위문제로 분해한다: 주어진 항로에 대한 프로파일 최적화(이중 분해를 통해 해결), 주어진 프로파일에 대한 항로 최적화(순차적 볼록 최적화를 통해 해결).
• 카루쉬-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건과 이차 방정식 해법을 사용하여 각 UAV 경로점에 대한 최적의 전력 및 전력 분할 비율 프로파일을 유도한다.
• 비볼록 항로 최적화를 위한 볼록 대체 함수를 만들기 위해 볼록 함수의 일阶 테일러 근사법을 사용한다. 이를 통해 반복적 개선이 가능하다.
• 항로 최적화와 프로파일 최적화 단계를 번갈아 가며 반복적으로 개선하는 교차 최적화 프레임워크를 활용한다.
• 제약 조건 하에서 최적의 전력 및 전력 분할 비율에 대한 닫힌 형태의 수식을 유도하며, 경계 기반의 타당성 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 제약이 있는 중계 시스템에서 UAV 이동성을 어떻게 활용하여 협업 전송량을 최대화할 수 있는가?
• RQ2 SWIPT로 구동되는 UAV에서 에너지 수확과 정보 중계 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 항로, 전력 프로파일, 전력 분할 비율을 공동으로 최적화함으로써 탐욕 전략이나 정적 전략 대비 시스템 성능가 개선되는가?
• RQ4 순차적 볼록 최적화가 UAV 보조 SWIPT 시스템의 비볼록 항로 최적화 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 AF 및 DF 프로토콜에서 제안된 최적 솔루션은 기존 접근 방식 대비 어떤 성능 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 최적 솔루션은 특히 앰플리파이 앤 포워드(AF) 프로토콜에서 정적 및 탐욕 전략보다 훨씬 높은 종단 간 협업 전송량을 달성한다.
• UAV의 전력 프로파일과 전력 분할 비율은 탐욕 전략에서 관찰되는 국소 최적 결정을 피하기 위해 장기적인 전략에 따라 최적화된다.
• 순차적 볼록 최적화 방법은 몇 번의 반복 내에 수렴하여 빠른 수렴성과 실용적 타당성을 입증한다.
• 이중 분해 방법은 주어진 항로 하에서 최적의 전력 및 전력 분할 비율에 대한 닫힌 형태의 해를 성공적으로 도출한다.
• 헤시안 행렬 분석을 통해 근사된 목적 함수의 볼록성을 확인하였으며, 이는 반복 최적화 과정의 수렴성을 보장한다.
• 수치 결과는 제안된 프레임워크가 실제 UAV 이동성과 에너지 제약 조건 하에서 에너지 수확과 정보 중계를 효과적으로 균형 잡고 시스템 전송량을 최대화함을 검증한다.