[논문 리뷰] Cellular-Connected UAV: Uplink Association, Power Control and Interference Coordination

Weidong Mei, Qingqing Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 22.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 27인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 공유 조건 하에서 무선우주항행체(UAV)와 지상 사용자 간의 가중합신뢰도를 최대화하기 위해 셀룰러 연결 UAV에 대한 중심집중형 및 분산형 이웃셀 간 간섭 제어(ICIC) 기법을 제안한다. 연속적인 볼록 근사화 및 최적 분할 알고리즘을 통해 업링크 셀 연결 및 전력 제어를 공동 최적화함으로써, 신호 전송 오버헤드를 줄이며 라인오브사이트(LoS) 매크로다이버시티를 활용하여 스펙트럼 효율성을 향상시킨다. 이 기법들은 근사 최적 성능을 달성한다.

ABSTRACT

The line-of-sight (LoS) air-to-ground channel brings both opportunities and challenges in cellular-connected unmanned aerial vehicle (UAV) communications. On one hand, the LoS channels make more cellular base stations (BSs) visible to a UAV as compared to the ground users, which leads to a higher macro-diversity gain for UAV-BS communications. On the other hand, they also render the UAV to impose/suffer more severe uplink/downlink interference to/from the BSs, thus requiring more sophisticated inter-cell interference coordination (ICIC) techniques with more BSs involved. In this paper, we consider the uplink transmission from a UAV to cellular BSs, under spectrum sharing with the existing ground users. To investigate the optimal ICIC design and air-ground performance trade-off, we maximize the weighted sum-rate of the UAV and existing ground users by jointly optimizing the UAV's uplink cell associations and power allocations over multiple resource blocks. However, this problem is non-convex and difficult to be solved optimally. We first propose a centralized ICIC design to obtain a locally optimal solution based on the successive convex approximation (SCA) method. As the centralized ICIC requires global information of the network and substantial information exchange among an excessively large number of BSs, we further propose a decentralized ICIC scheme of significantly lower complexity and signaling overhead for implementation, by dividing the cellular BSs into small-size clusters and exploiting the LoS macro-diversity for exchanging information between the UAV and cluster-head BSs only. Numerical results show that the proposed centralized and decentralized ICIC schemes both achieve a near-optimal performance, and draw important design insights based on practical system setups.

연구 동기 및 목표

• 라인오브사이트(LoS) 공중-지상 채널로 인한 업링크 간섭 문제와 기지국(BS)의 가시성 증가로 인한 셀룰러 연결 UAV의 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 다중 자원 블록을 통해 업링크 셀 연결 및 전력 할당을 공동 최적화하여 UAV 및 지상 사용자의 가중합신뢰도를 최대화하기 위해.
• 신호 전송 오버헤드를 줄이며 근사 최적 성능를 유지하는 저복잡도 분산형 ICIC 기법을 설계하기 위해.
• BS들을 군집화하고 UAV와 군집 헤드 BS 간의 정보 교환만 허용함으로써 LoS 매크로다이버시티를 활용하기 위해.

제안 방법

• 스펙트럼 공유 및 간섭 제약 조건 하에서 가중합신뢰도를 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록 문제를 반복적으로 근사 및 해석하기 위해 연속 볼록 근사화(Successive Convex Approximation, SCA) 기법을 적용하며, 국소 최적 해로 수렴한다.
• SCA를 활용한 중심집중형 ICIC 기법을 제안하여 모든 BS에 걸쳐 UAV 셀 연결 및 전력 제어를 공동 최적화한다.
• BS들을 군집으로 나누고 UAV와 군집 헤드 BS 간의 통신만 제한함으로써 신호 전송 오버헤드를 줄이기 위해 분산형 ICIC 기법을 개발한다.
• 정규 탇도 영역 내 거듭제곱의 곱을 목표 함수로 하는 하위 문제를 해결하기 위해 최적 분할 알고리즘(Optimal Partitioning Algorithm, OPA)을 활용한다.
• OPA에서 탇도 하위 문제를 해결하기 위해 이분법 검색을 사용하며, 수렴 보장된 반복적 정밀 조정을 통해 해 공간을 개선한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라인오브사이트(LoS) 채널로 인해 매크로다이버시티가 높은 셀룰러 연결 UAV 네트워크에서 간섭을 효과적으로 조율할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 UAV-BS 연결 및 전력 할당에서 업링크 합신뢰도 성능과 시스템 복잡도 사이의 최적 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 중앙집중형 접근 방식에 비해 상당히 낮은 신호 전송 오버헤드를 확보하면서도 근사 최적 성능를 달성할 수 있는 분산형 ICIC 기법은 가능한가?
• RQ4 라인오브사이트 매크로다이버시티의 사용은 UAV 업링크 통신의 간섭 조율 설계 및 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 중심집중형 ICIC 기법은 연속 볼록 근사화를 활용하여 셀 연결 및 전력 제어를 공동 최적화함으로써 근사 최적 성능를 달성한다.
• 분산형 ICIC 기법은 BS 군집화와 UAV-군집 헤드 BS 간 정보 교환에 국한함으로써 신호 전송 오버헤드를 크게 줄이며 높은 성능를 유지한다.
• 수치 결과는 두 기법이 기존 기법보다 뛰어난 성능를 보이며 근사 최적의 합신뢰도 성능를 달성함을 확인한다.
• OPA 알고리즘은 반복적으로 폴리블록을 정밀 조정함으로써 비볼록 하위 문제를 성공적으로 해결하며 ε-최적 해로 수렴함을 보장한다.
• 라인오브사이트 매크로다이버시티를 활용함으로써 UAV는 다수의 BS에 연결 가능해져 다이버시티 이득을 향상시키고 업링크 신뢰성을 향상시킨다.
• 이분법 기반 하위 문제 해결을 통해 제안된 기법의 타당성이 검증되었으며, 실용적 구현 환경에서 강력한 수렴성을 보장한다.