[論文レビュー] Common Throughput Maximization in UAV-Enabled OFDMA Systems with Delay Consideration

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 24被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、無人航空機（UAV）を用いたネットワークにおける、遅延制約が不均一な状況下で最小平均スループットを最大化するためのUAV軌道とOFDMAリソース割り当ての共同最適化を提案する。遅延要件をモデル化するために最小レート比（MRR）を導入し、スループットと遅延の根本的トレードオフを示した。また、従来手法を凌駆するパラメータ支援ブロック座標降下法を提案し、特に厳しい遅延制約下でも優れた性能を発揮することを示した。

ABSTRACT

The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) as communication platforms is of great practical significance in future wireless networks, especially for on-demand deployment in temporary events and emergency situations. Although prior works have shown the performance improvement by exploiting the UAV's mobility, they mainly focus on delay-tolerant applications. As delay requirements fundamentally limit the UAV's mobility, it remains unknown whether the UAV is able to provide any performance gain in delay-constrained communication scenarios. Motivated by this, we study in this paper a UAV-enabled orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) network where a UAV is dispatched as a mobile base station (BS) to serve a group of users on the ground. We consider a minimum-rate ratio (MRR) for each user, defined as the minimum instantaneous rate required over the average achievable throughput, to flexibly adjust the percentage of its delay-constrained data traffic. Under a given set of constraints on the users' MRRs, we aim to maximize the minimum average throughput of all users by jointly optimizing the UAV trajectory and OFDMA resource allocation. First, we show that the max-min throughput in general decreases as the users' MRR constraints become more stringent, which reveals a fundamental throughput-delay tradeoff in UAV-enabled communications. Next, we propose an iterative parameter-assisted block coordinate descent method to optimize the UAV trajectory and OFDMA resource allocation alternately, by applying the successive convex optimization and the Lagrange duality, respectively. Furthermore, an efficient and systematic UAV trajectory initialization scheme is proposed based on a simple circular trajectory. Finally, simulation results are provided to verify our theoretical findings and demonstrate the effectiveness of our proposed designs.

研究の動機と目的

• 先行の移動性最適化設計でしばしば無視される、異種ユーザーの遅延要件を満たすUAV通信の性能限界を解明すること。
• ユーザーが異なる最小レート比（MRR）を持つようにシステムモデルを定式化し、遅延制約付きトラフィックの割合を反映させることで、現実の混合トラフィック状況を再現すること。
• MRR制約下でUAV軌道とOFDMAリソース割り当てを共同最適化することで、すべてのユーザーにおける最小平均スループットを最大化すること。
• スループットと遅延の根本的トレードオフが存在することを示し、より厳しい遅延制約がUAV移動性によるスループット向上の可能性を制限することを明らかにすること。
• 標準のブロック座標降下法に起因する収束問題を克服する効率的な反復的アルゴリズムを開発すること。

提案手法

• 遅延要件を柔軟に表現できるように、最小インstantaneousレートと平均達成可能スループットの比である最小レート比（MRR）を用いてユーザーの遅延要件をモデル化する。
• UAV移動性とOFDMAリソース割り当ての制約下で、最小平均ユーザースループットを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• UAV軌道（逐次凸最適化により最適化）とOFDMAリソース割り当て（ラグランジュ双対性を用いて最適化）を交互に最適化するパラメータ支援ブロック座標降下法を提案する。
• 収束性と性能を向上させるために、円形軌道に基づく体系的なUAV軌道初期化手法を導入する。
• 軌道最適化における非凸制約を扱うために逐次凸緩和を適用し、効率的な反復的更新を可能にする。
• 各反復でラグランジュ双対性を用いて、各ユーザーごとの最適なパワーとサブキャリア割り当てを効率的に解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一部のユーザーが遅延制約付きサービスを要する場合、特にユーザーの遅延制約が異なる状況下で、UAVの移動性によるスループット向上はどのように変化するか？
• RQ2 UAV軌道とOFDMAリソース割り当てを共同最適化することで、異種のMRR要件を満たしつつ、スループットの公平性を効果的にバランスさせることができるか？
• RQ3 従来のブロック座標降下法がこのUAV-OFDMA環境で収束に失敗する理由は何か？また、どのように改善できるか？
• RQ4 非対称なMRR制約がUAV軌道設計とシステムスループットの公平性に与える影響は何か？
• RQ5 MRR値が増加するに従ってシステム性能はどのように変化するか？また、スループットと遅延制約の間のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• MRR制約が厳しくなるほど、最大最小平均スループットが低下し、UAV搭載システムにおける根本的なスループット-遅延トレードオフが明らかになった。
• すべてのユーザーがMRR = 1（完全に遅延制約付き）の場合、最適軌道は固定点となるため、静的配置と比較してUAVはスループット向上を達成できない。
• MRRがやや緩い場合（例：θ = 0.4）、UAVはユーザーに近づき、効率的にサービスを提供するように動的に軌道を調整することで、顕著なスループット向上を達成できる。
• 提案されたパラメータ支援ブロック座標降下法は、信頼性高く収束し、特に高いMRR制約下で標準のブロック座標降下法を上回る性能を発揮した。
• シミュレーション結果から、MRRが低い（例：θ = 0.4）UAVはMRRが高い（例：θ = 0.8）UAVよりも高い最大最小スループットを達成しており、遅延制約が厳しくなるに従いその利得は減少した。
• MRRが非対称な場合、ユーザーのMRRが高いほどそのユーザーに近づくように軌道が非対称になる。これは、劣悪なチャネル品質を補うために速度を落としたり、ホバリングするように設計されている。