[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种毫米波全双工无人机中继的联合优化框架，联合优化无人机定位、波束成形和功率控制，以最大化可实现速率。在视 Line-of-Sight (LoS) 条件下推导出无人机位置的闭式最优解，并提出一种交替干扰抑制算法，在实际约束条件下实现低复杂度波束成形与功率控制的近优性能。

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.

研究动机与目标

• 通过利用具有全双工操作的无人机中继，解决毫米波网络中覆盖范围低和路径损耗高的挑战。
• 克服毫米波全双工无人机中继系统中无人机定位、波束成形与功率控制联合优化的高维非凸问题。
• 在实际约束条件下，包括恒模波束成形和 LoS 传播，最大化源到目的端的可实现速率。
• 设计一种低复杂度算法，通过迭代优化波束成形与功率控制，实现闭式功率分配，从而达到近似最优性能。

提出的方法

• 在理想 LoS 和完美波束成形假设下，推导出能最大化可实现速率上界的一个闭式条件最优无人机位置。
• 将无人机部署到最近的可行 LoS 位置，以确保与源节点和目的节点之间均保持 LoS 链接。
• 提出一种交替干扰抑制（AIS）算法，通过迭代优化波束成形向量以最大化信号增益并抑制干扰。
• 在每次 AIS 迭代中，以闭式计算最优功率控制变量，以平衡速率与干扰。
• 基于信道系数的等比性质，采用几何方法构造满足或几乎满足恒模约束的波束成形向量。
• 证明存在一个最优解，其中最多只有一个波束成形向量元素违反恒模约束，从而实现高效计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LoS 毫米波全双工无人机中继系统中，使可实现速率最大化的最优无人机位置是什么？
• RQ2 在恒模波束成形向量约束下，如何联合优化波束成形与功率控制？
• RQ3 能否设计一种低复杂度算法，使毫米波 FD-UAV 中继在可实现速率方面达到近似最优性能？
• RQ4 所提方案与理论性能上限的差距有多大？
• RQ5 实际约束（如仅支持 LoS 链接和硬件施加的恒模波束成形）对系统设计有何影响？

主要发现

• 所提出的联合优化框架在性能上接近毫米波全双工无人机中继系统的理论上限。
• AIS 算法收敛迅速，在仿真中实现的可实现速率显著高于三种基准方案。
• 闭式无人机定位解提供了一个强有力的初始部署点，可确保 LoS 链接并最大化可实现速率的上界。
• 波束成形设计确保波束成形向量中最多只有一个元素违反恒模约束，从而支持实际实现。
• 仿真结果证实，所提方法优于传统方案，尤其在高移动性或遮挡环境中表现更优。
• 定位、波束成形与功率控制的联合优化相比独立或次优设计方法，带来了显著的速率增益。