[論文レビュー] Cognitive UAV Communication via Joint Trajectory and Power Control

Yuwei Huang, Jie Xu+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、干渉温度制約を用いて主端末ユーザーを保護しつつ、平均実現可能レートを最大化するための認知UAV通信における共同軌道制御および電力制御方式を提案する。逐次最適化と逐次凸近似を用いることで、UAVの移動性と送信電力を知的にバランスさせ、干渉を低減し、有利なチャネル状態を活用することで、ベンチマークと比較して顕著なレート向上を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates a new spectrum sharing scenario between unmanned aerial vehicle (UAV) and terrestrial wireless communication systems. We consider that a cognitive/secondary UAV transmitter communicates with a ground secondary receiver (SR), in the presence of a number of primary terrestrial communication links that operate over the same frequency band. We exploit the UAV's controllable mobility via trajectory design, to improve the cognitive UAV communication performance while controlling the co-channel interference at each of the primary receivers (PRs). In particular, we maximize the average achievable rate from the UAV to the SR over a finite mission/communication period by jointly optimizing the UAV trajectory and transmit power allocation, subject to constraints on the UAV's maximum speed, initial/final locations, and average transmit power, as well as a set of interference temperature (IT) constraints imposed at each of the PRs for protecting their communications. However, the joint trajectory and power optimization problem is non-convex and thus difficult to be solved optimally. To tackle this problem, we propose an efficient algorithm that ensures to obtain a locally optimal solution by applying the techniques of alternating optimization and successive convex approximation (SCA). Numerical results show that our proposed joint UAV trajectory and power control scheme significantly enhances the achievable rate of the cognitive UAV communication system, as compared to benchmark schemes.

研究の動機と目的

• UAVと地上の共用周波数帯域における周波数干渉の課題に対処すること。
• 有限なミッション期間内に認知UAV-地上リンクの平均実現可能レートを最大化すること。
• 移動制約および干渉制約の下でUAVの軌道と送信電力を共同最適化すること。
• 干渉温度（IT）制約を用いて主ユーザーの通信を保護すること。
• 非凸最適化問題を効率的に解くアルゴリズムの開発

提案手法

• UAV-SRリンクの平均実現可能レートを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 各主受信機（PR）における共周波数干渉を制限するため、干渉温度（IT）制約を適用する。
• 軌道と電力割り当てを交互に最適化する逐次最適化を用いる。
• 非凸部分問題を凸近似に変換するために逐次凸近似（SCA）を採用する。
• UAVの最大速度、初期／終点位置、平均送信電力、およびPRにおけるIT閾値に制約を課す。
• 局所最適解に収束する反復的アルゴリズムにより問題を解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVの移動性と送信電力をどのように共同最適化することで、認知UAV通信レートを最大化できるか？
• RQ2 軌道設計と単独の電力制御のどちらがシステム性能に与える影響が大きいのか？
• RQ3 干渉制約が厳しい場合、UAVはどのように飛行経路を調整して地上主リンクへの干渉を最小化するか？
• RQ4 分離最適化と比較して、共同軌道および電力最適化によりどの程度の性能向上が達成できるか？
• RQ5 通信時間の長さが、スループットと干渉制御のトレードオフにどのように影響するか？

主な発見

• 提案された共同軌道および電力制御方式は、すべてのベンチマーク方式と比較して平均実現可能レートにおいて優れている。
• 通信時間 T ≤ 60 s の場合、電力最適化のみが軌道最適化よりも優れた性能を示し、短時間ミッションでは電力制御が支配的であることを示している。
• T ≥ 70 s の場合、軌道最適化がより効果的になることが示され、長時間の運用で移動性の利点が十分に活用されていることを示している。
• 干渉制約が厳しい場合（例：Γ = -90 dBm）、UAVの軌道は直線から逸脱し、主受信機から離れるように変更される。
• UAVは副受信機（SR）付近で速度を落として有利なチャネル状態を活用する一方、主受信機付近では干渉露出時間を短くするために高速飛行を行う。
• 数値結果により、共同最適化がスループットと共周波数干渉制御のバランスを取ることで顕著なスペクトル効率の向上を達成することが確認された。