[논문 리뷰] UAV Data Collection over NOMA Backscatter Networks: UAV Altitude and Trajectory Optimization

Amin Farajzadeh, Özgür Erçetin외 1명|Sabanci University|2019. 02. 08.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 24인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 성공적으로 복원된 비트 수를 최대화하고 드론 비행 시간을 최소화하기 위해 전력 도메인 NOMA를 사용한 최적화된 UAV 보조 반사성 네트워크를 제안한다. 드론 고도와 경로를 공동으로 최적화함으로써 각 네트워크 설정에 대해 최적의 고도가 존재하며, 특히 SIC 성능을 햖थ하고 간섭을 줄이기 위해 반사 계수를 다양하게 조절함으로써 전송률을 크게 향상시킴을 입증한다.

ABSTRACT

The recent evolution of ambient backscattering technology has the potential to provide long-range and low-power wireless communications. In this work, we study the unmanned aerial vehicle (UAV)-assisted backscatter networks where the UAV acts both as a mobile power transmitter and as an information collector. We aim to maximize the number of successfully decoded bits in the uplink while minimizing the UAV's flight time by optimizing its altitude. Power-domain NOMA scheme is employed in the uplink. An optimization framework is presented to identify the trade-off between numerous network parameters, such as UAV's altitude, number of backscatter devices, and backscatter coefficients. Numerical results show that an optimal altitude is computable for various network setups and that the impact of backscattering reflection coefficients on the maximum network throughput is significant. Based on this optimal altitude, we also show that an optimal trajectory plan is achievable.

연구 동기 및 목표

• 저전력, 수동 반사성 IoT 네트워크에서 UAV를 이동형 전원 공급원 및 데이터 수집원으로 사용하여 데이터 수집 효율을 극대화하는 데 도전하는 것.
• 장거리 환경 반사성 통신에서 UAV 비행 시간과 네트워크 전송률 간의 상충 관계를 조사하는 것.
• NOMA 기반 반사성 네트워크에서 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성을 균형 잡기 위해 UAV 고도와 경로를 최적화하는 것.
• 반사성 반사 계수와 반사성 노드 수가 네트워크 성능과 시스템 전송률에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 성공적으로 복원된 비트 수 대비 비행 시간 비율을 극대화하는 데 최적의 드론 고도와 경로를 결정하는 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 경로 손실, 채널 이득, 간섭을 고려한 3차원 최적화 프레임워크를 제안하여 NOMA 반사성 네트워크에서 UAV 고도와 경로를 최적화한다.
• 고도 H를 핵심 변수로 삼아 UAV의 유효 조명 각도 θ와 그 커버리지 및 경로 손실에 미치는 영향을 모델링한다.
• 다수의 반사성 노드가 동일한 자원 블록을 공유할 수 있도록 전력 도메인 NOMA와 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용한다.
• 서브영역 분할 모델(육각형 세포)을 사용하여 각 서브영역의 공간 분포와 신호 강도를 분석한다.
• 각 노드별로 가변 반사 계수(ζ)를 도입하여 수신 신호 강도를 제어하고 SIC 복원 성능을 향상시킨다.
• 전송률과 중단 확률에 대한 분석적 표현을 유도하고, 비행 시간 대비 복원된 비트 수 비율을 극대화하기 위해 H를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NOMA 반사성 네트워크에서 비행 시간을 최소화하면서 성공적으로 복원된 비트 수를 극대화하는 데 최적의 UAV 고도는 무엇인가?
• RQ2 다양한 반사성 반사 계수는 SIC 복원 성능과 전체 네트워크 전송률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 UAV의 유효 조명 각도 θ는 시스템 전송률과 커버리지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 서브영역당 반사성 노드 수가 간섭과 복원 중단 확률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 최적의 고도가 계산된 바탕으로 최적의 경로를 유도할 수 있는가?

주요 결과

• 각 네트워크 구성에 대해 성공적으로 복원된 비트 수 대비 비행 시간 비율을 극대화하는 최적의 UAV 고도가 존재한다.
• 반사성 노드 간에 반사 계수를 다양하게 조절할 경우(예: 0.1에서 0.99로), 균일한 계수 대비 전송률이 40% 이상 향상되며, 이는 SIC 성능 향상 덕분이다.
• 유효 조명 각도 θ가 높을수록 전송률이 단조적으로 증가한다. 이는 낮은 고도에서 경로 손실이 감소하고 신호 강도가 향상되기 때문이다.
• 특정 환경에서는 고도 H*와 서브영역당 반사성 노드 수 N_l*의 최적 조합이 존재하며, 이 조합에서 복원된 비트 수가 극대화된다. 고손실 환경(α = 3.2 대비 α = 2.7)에서는 성능이 19% 이상 저하된다.
• θ > 80°일 경우, 더 많은 반사성 노드(N = 100)가 존재함에 따라 전송률이 증가한다. 이는 낮은 고도에서 경로 손실이 감소하기 때문이며, 간섭 증가에도 불구하고 성능 향상이 이루어진다.
• 최적의 고도는 경로 손실 지수, 노드 수, 반사 계수 분포와 같은 네트워크 파rameter에 민감하게 영향을 받는다.