[논문 리뷰] UAV-Enabled Aerial Base Station (BS) III/III: Capacity Characterization of UAV-Enabled Two-User Broadcast Channel

Qingqing Wu, Jie Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 27인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 속도 및 전력 제약 조건 하에서 UAV 궤적과 전력/신속도 할당을 공동으로 최적화하여 UAV 기반 이중 사용자 방송 채널의 용량 영역을 특성화한다. 유한한 비행 시간 동안 초순환비행-비행-초순환비행(HFH) 궤적과 중첩 전송(스케일링)이 최적임을 보이며, 간섭 관리와 이동성 이득을 통해 최고의 스펙트럼 효율을 달성한다.

ABSTRACT

Although prior works have exploited the UAV's mobility to enhance the wireless communication performance under different setups, the fundamental capacity limits of UAV-enabled/aided multiuser communication systems have not yet been characterized. To fill this gap, we consider in this paper a UAV-enabled two-user broadcast channel (BC), where a UAV flying at a constant altitude is deployed to send independent information to two users at different fixed locations on the ground. We aim to characterize the capacity region of this new type of BC over a given UAV flight duration, by jointly optimizing the UAV's trajectory and transmit power/rate allocations over time, subject to the UAV's maximum speed and maximum transmit power constraints. First, to draw essential insights, we consider two special cases with asymptotically large/low UAV flight duration/speed, respectively. For the former case, it is shown that a simple hover-fly-hover (HFH) UAV trajectory with time division multiple access (TDMA) based orthogonal multiuser transmission is capacity-achieving, while in the latter case, the UAV should hover at a fixed location that is nearer to the user with larger achievable rate and in general superposition coding (SC) based non-orthogonal transmission with interference cancellation at the receiver of the nearer user is required. Next, we consider the general case with finite UAV speed and flight duration. We show that the optimal UAV trajectory should follow a general HFH structure, i.e., the UAV successively hovers at a pair of initial and final locations above the line segment of the two users each with a certain amount of time and flies unidirectionally between them at the maximum speed, and SC is generally needed.

연구 동기 및 목표

• UAV 기반 다중 사용자 통신 시스템의 기본 용량 한계를 특성화하는 것, 특히 이중 사용자 방송 채널 환경에서의 특성화.
• 성능 향상을 위한 UAV 이동성에 대한 관심이 증가하고 있음에도 불구하고 UAV 보조 무선 네트워크에 대한 이론적 용량 특성화의 부족을 해결하는 것.
• 실제 제약 조건 하에서 총 전송률을 최대화하기 위해 UAV 궤적과 시간에 따라 변하는 전력/신속도 할당을 공동으로 최적화하는 것.
• 다양한 비행 시간 및 속도 영역에서 정규화(Orthogonal, TDMA) 대비 비정규화(비정규화, SC) 전략의 최적성에 대한 이해.
• 일般적인 유한 속도 및 유한 비행 시간 비행 시나리오에 대한 최적 UAV 궤적 및 전송 정책의 구조를 규명하는 것.

제안 방법

• 유한 비행 시간 동안 UAV 궤적과 시간에 따라 변하는 전송 전력 및 신속도 할당을 공동으로 최적화하여 용량 영역 최대화 문제를 수립한다.
• 두 가지 점 渐진적 경우를 분석한다: 무한한 비행 시간(여기서 HFH와 TDMA가 최적임) 및 저속 비행(더 강한 사용자 근처에서 정지하며 SC를 사용하는 것이 최적임).
• 최적 궤적의 구조를 일반적인 초순환비행(HFH) 패tern으로 도출하며, UAV는 두 사용자 사이의 선분 위에서 두 지점에서 정지하고, 최대 속도로 한 방향으로 비행한다.
• 가까운 사용자 수신기에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 수행하는 중첩 전송(SC)을 사용하여 비정규화 전송에서 간섭을 관리한다.
• 볼록 최적화 기법과 궤적 매개변수화를 적용하여 비볼록 문제를 해결하며, 점 渐진적 분석에서의 통찰을 활용한다.
• 최적 해가 이동성 이득과 스펙트럼 효율 사이의 균형이 필요함을 규명하며, 일반적으로 유한 비행 조건에서는 SC가 필요함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 사용자 UAV 기반 방송 채널에서 용량 영역을 최대화하는 데 가장 적합한 UAV 궤적의 구조는 무엇인가요?
• RQ2 최적 전송 전략(정규화 대비 비정규화)은 UAV 비행 시간과 속도에 따라 어떻게 달라지나요?
• RQ3 시간 분할 다중접근(TDMA)이 용량을 달성하는 조건은 언제이며, 언제 중첩 전송(SC)이 필수적인가요?
• RQ4 정적 배치 대비 UAV 이동성은 스펙트럼 효율에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 UAV 속도 및 비행 시간 제약 조건은 최적 궤적과 전력 할당 정책을 어떻게 형성합니까?

주요 결과

• 비행 시간이 점 渐진적으로 길어질 경우, 시간 분할 다중접근(TDMA)을 사용하는 초순환비행(HFH) 궤적이 용량을 달성하며 최대 총 전송률을 달성한다.
• 저속 비행 영역에서는 UAV가 더 높은 전송률을 달성할 수 있는 사용자 근처에 정지해 있어야 하며, 간섭 제거 기능이 있는 중첩 전송(SC)이 필요하다.
• 일般적인 유한 비행 시간 및 속도 조건에서는 최적 궤적이 일반적인 HFH 패턴을 따른다: 두 사용자 사이의 선분 위에서 초기 및 종료 위치에서 정지하고, 최대 속도로 한 방향으로 비행한다.
• 유한 조건에서는 간섭을 관리하기 위해 일반적으로 중첩 전송(SC)이 필요하며, 이는 비정규화 전송이 정규화 방식을 능가함을 시사한다.
• 용량 영역은 정적 또는 TDMA 전용 배치보다 엄격히 더 크며, 궤적과 전력 최적화를 공동으로 수행함으로써 발생하는 이득을 보여준다.
• 최적 해는 이동성 이득과 스펙트럼 효율 사이의 균형이 필요하며, UAV의 비행 경로와 전력 할당이 제약 조건 하에서 총 전송률을 최대화하도록 공동으로 설계되어야 한다.