[論文レビュー] Millimeter-Wave Full-Duplex UAV Relay: Joint Positioning, Beamforming, and Power Control

Lipeng Zhu, Jun Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 48被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、ミリ波全二重UAVリレーサービスにおける共同最適化フレームワークを提案し、到達速率を最大化するために、UAVの配置、アナログビームフォーミング、およびパワー制御を同時に最適化する。視線（LoS）条件の下で閉形式の最適UAV位置を導出するとともに、実用的制約下で低複雑度のビームフォーミングおよびパワー制御を実現しつつ、近似最適性能を達成する交互干渉抑圧アルゴリズムを開発した。

ABSTRACT

In this paper, a full-duplex unmanned aerial vehicle (FD-UAV) relay is employed to increase the communication capacity of millimeter-wave (mmWave) networks. Large antenna arrays are equipped at the source node (SN), destination node (DN), and FD-UAV relay to overcome the high path loss of mmWave channels and to help mitigate the self-interference at the FD-UAV relay. Specifically, we formulate a problem for maximization of the achievable rate from the SN to the DN, where the UAV position, analog beamforming, and power control are jointly optimized. Since the problem is highly non-convex and involves high-dimensional, highly coupled variable vectors, we first obtain the conditional optimal position of the FD-UAV relay for maximization of an approximate upper bound on the achievable rate in closed form, under the assumption of a line-of-sight (LoS) environment and ideal beamforming. Then, the UAV is deployed to the position which is closest to the conditional optimal position and yields LoS paths for both air-to-ground links. Subsequently, we propose an alternating interference suppression (AIS) algorithm for the joint design of the beamforming vectors and the power control variables. In each iteration, the beamforming vectors are optimized for maximization of the beamforming gains of the target signals and the successive reduction of the interference, where the optimal power control variables are obtained in closed form. Our simulation results confirm the superiority of the proposed positioning, beamforming, and power control method compared to three benchmark schemes. Furthermore, our results show that the proposed solution closely approaches a performance upper bound for mmWave FD-UAV systems.

研究の動機と目的

• ミリ波ネットワークにおける低カバレッジおよび高パスループスの課題を、全二重動作を特徴とするUAVリレーサービスを活用することで解決する。
• ミリ波全二重UAVリレーシステムにおけるUAV配置、ビームフォーミング、パワー制御の連合最適化問題である高次元かつ非凸な最適化問題を克服する。
• 定常モジュラスビームフォーミングおよびLoS伝搬を含む実用的制約下で、送信元から受信ノードへの到達速率を最大化する。
• 閉形式のパワー割り当てを用いてビームフォーミングとパワー制御を繰り返し最適化することで、近似最適性能を達成する低複雑度のアルゴリズムを設計する。

提案手法

• 理想的なLoSおよび完璧なビームフォーミングの仮定の下で、到達速率の上界を最大にする閉形式の条件付き最適UAV位置を導出する。
• UAVを、送信元および受信ノードの両方とのLoSリンクを維持できる最近接の実現可能なLoS位置に配置する。
• 信号利得を最大化し、干渉を抑圧するために、繰り返しビームフォーミングベクトルを最適化する「交互干渉抑圧（AIS）」アルゴリズムを提案する。
• AISの各反復において、データレートと干渉のバランスを取るために、閉形式で最適なパワー制御変数を計算する。
• チャネル係数の定比率性に基づく幾何的アプローチを用いて、定常モジュラス制約を満たすか、ほぼ満たすビームフォーミングベクトルを構築する。
• 最適解において、ビームフォーミングベクトルの要素のうち最大で1つしか定常モジュラス制約を満たさないことが証明され、計算が効率的に行える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 視線（LoS）条件の下で、ミリ波全二重UAVリレーシステムにおける到達速率を最大にする最適UAV位置は何か？
• RQ2 定常モジュラスビームフォーミングベクトルの制約下で、どのようにビームフォーミングとパワー制御を連合最適化できるか？
• RQ3 低複雑度のアルゴリズムは、ミリ波FD-UAVリレーシステムの到達速率において近似最適性能を達成できるか？
• RQ4 提案手法は理論的性能上界に対してどの程度近いか？
• RQ5 LoS専用リンクやハードウェアによる定常モジュラスビームフォーミングといった実用的制約が、システム設計に与える影響は何か？

主な発見

• 提案された連合最適化フレームワークは、ミリ波全二重UAVリレーシステムの理論的上界に非常に近い性能を達成する。
• AISアルゴリズムは高速に収束し、シミュレーションにおいて3つのベンチマーク手法よりも顕著に高い到達速率を達成する。
• 閉形式のUAV配置ソリューションは、LoSリンクを保証するとともに、到達速率上界を最大にする強力な初期配置を提供する。
• ビームフォーミング設計により、ビームフォーミングベクトルの要素のうち最大で1つしか定常モジュラス制約を満たさないことが保証され、実装が可能になる。
• シミュレーション結果は、提案手法が従来手法を上回ることを確認しており、特に高移動性または遮断環境下で顕著な性能向上が得られる。
• UAV配置、ビームフォーミング、パワー制御の連合最適化により、個別的または準最適な設計手法と比較して顕著なデータレート向上が達成される。