[論文レビュー] Cellular UAV-to-X Communications: Design and Optimization for Multi-UAV Networks in 5G

Shuhang Zhang, Hongliang Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、5GにおけるマルチUAVセルラー網を対象に、反復的サブキャリア割り当ておよびトラジェクトリ制御アルゴリズム（ISATCA）を提案し、センシング遅延制約下でU2IおよびU2Uオフロードを可能にすることで、上行リンク合計スループットを最大化する。ISATCAは、U2Uオフロードなしのシステムと比較してデータアップロードを20%向上させ、ランダム割り当てと比較しても10%向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we consider a single-cell cellular network with a number of cellular users~(CUs) and unmanned aerial vehicles~(UAVs), in which multiple UAVs upload their collected data to the base station (BS). Two transmission modes are considered to support the multi-UAV communications, i.e., UAV-to-infrastructure (U2I) and UAV-to-UAV~(U2U) transmissions. Specifically, a UAV either uploads its collected data to the BS through U2I overlay transmission or offloads the data to a neighboring UAV through U2U underlay transmission when facing on-board battery outage. We formulate the subcarrier allocation and trajectory control problem to maximize the uplink sum-rate taking the delay of sensing tasks into consideration. To solve this NP-hard problem efficiently, we decouple it into three sub-problems: U2I and cellular user (CU) subcarrier allocation, U2U subcarrier allocation, and UAV trajectory control. An iterative subcarrier allocation and trajectory control algorithm (ISATCA) is proposed to solve these sub-problems jointly. Simulation results show that the proposed ISATCA can upload 20\% more data than the one without U2U offloading, and 10\% more than that obtained by the random algorithm.

研究の動機と目的

• 5Gシングルセルネットワークにセルラー端末と複数のUAVを統合した際の上行リンク合計スループットを最大化する課題に対処すること。
• UAVからインfrastrucure（U2I）およびUAV同士（U2U）通信を組み合わせたハイブリッド伝送戦略を設計し、バッテリー断続時の耐障害性を確保すること。
• センシングタスクの遅延制約下で、サブキャリア割り当てとUAVトラジェクトリ制御を共同最適化すること。
• NP-hard最適化問題を分解して取り扱い可能な部分問題にすることで、効率的なアルゴリズムを開発すること。

提案手法

• NP-hardなサブキャリア割り当ておよびトラジェクトリ制御問題を、U2IおよびCUのサブキャリア割り当て、U2Uのサブキャリア割り当て、UAVトラジェクトリ制御の3つの部分問題に分解する。
• 反復的アルゴリズム（ISATCA）を提案し、サブキャリア割り当てとUAVトラジェクトリを交互に最適化することで収束性と性能を向上させる。
• UAVが搭載バッテリーの断続に直面した場合に、隣接UAVにデータをオフロードできるように、U2Uアンダーレイ伝送をバックアップとして活用する。
• センシングタスクの遅延制約を最適化フレームワークに統合し、タイムリーなデータアップロードを保証する。
• スペクトル効率とエネルギー効率の両立を図るための共同最適化フレームワークを採用する。
• サブキャリア割り当てとUAV飛行経路の反復的最適化を適用し、システム合計スループットを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチUAVセルラー網において、サブキャリア割り当てとUAVトラジェクトリをどのように共同最適化することで上行リンク合計スループットを最大化できるか？
• RQ2 UAVバッテリー断続時におけるU2Uオフロードをバックアップメカニズムとして導入した場合、どの程度の性能向上が達成可能か？
• RQ3 提案されたISATCAアルゴリズムは、ランダム割り当てなどのベースライン手法と比較して、データスループット面でどの程度優れているか？
• RQ4 センシングタスクの遅延制約は、UAV-to-X通信システムの設計および性能にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 提案されたISATCAアルゴリズムは、U2Uオフロード機能を有しないシステムと比較して、20%高いデータアップロードレートを達成する。
• ISATCAは、ランダムサブキャリア割り当てアルゴリズムと比較して、上行リンク合計スループット面で10%の向上を示す。
• サブキャリア割り当てとUAVトラジェクトリの共同最適化は、マルチUAVネットワークにおけるスペクトル効率を顕著に向上させる。
• U2Uオフロードは、UAVバッテリー断続時のデータ損失リスクを効果的に低減し、ネットワークの信頼性を向上させる。
• 反復的アルゴリズムは効率的に収束し、動的なUAV移動性およびチャネル状態に応じたリアルタイム適応を可能にする。
• センシングタスクの遅延制約は、スループットを犠牲にすることなく、最適化フレームワークに成功裏に統合された。