[論文レビュー] Fundamental Tradeoffs in Communication and Trajectory Design for UAV-Enabled Wireless Network

Qingqing Wu, Liang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 11被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、UAVによる無線ネットワークにおける通信スループット、遅延、推進エネルギー消費の間の根本的トレードオフを、UAVの軌道とリソース割り当てを共同最適化することで調査する。制御可能な3次元移動性により、地上ネットワークでは達成できないトレードオフが可能であることが示され、物理的制約（速度および加速度制限）に達するまで、エネルギー予算が高くなるにつれてスループットが著しく向上する。

ABSTRACT

The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) as aerial communication platforms is of high practical value for future wireless systems such as 5G, especially for swift and on-demand deployment in temporary events and emergency situations. Compared to traditional terrestrial base stations (BSs) in cellular network, UAV-mounted aerial BSs possess stronger line-of-sight (LoS) links with the ground users due to their high altitude as well as high and flexible mobility in three-dimensional (3D) space, which can be exploited to enhance the communication performance. On the other hand, unlike terrestrial BSs that have reliable power supply, aerial BSs in practice have limited on-board energy, but require significant propulsion energy to stay airborne and support high mobility. Motivated by the above new considerations, this article aims to revisit some fundamental tradeoffs in UAV-enabled communication and trajectory design. Specifically, it is shown that communication throughput, delay, and (propulsion) energy consumption can be traded off among each other by adopting different UAV trajectory designs, which sheds new light on their traditional tradeoffs in terrestrial communication. Promising directions for future research are also discussed.

研究の動機と目的

• UAVを用いた無線ネットワークにおけるスループット、遅延、推進エネルギー消費の根本的トレードオフを分析すること。
• UAVの移動性および軌道設計を活用して、性能とエネルギー効率のバランスを図る方法を調査すること。
• LoSチャネルおよび高い移動性のため、UAVから地上への通信と従来の地上通信のトレードオフの主な違いを特定すること。
• 5G、IoT、緊急通信シナリオにおけるUAV展開の実用的意味を調査すること。
• 現実的な制約下でのエネルギー効率の良いUAVの軌道および通信設計に関する今後の研究を導くこと。

提案手法

• 遅延およびエネルギー制約のもとでスループットを最大化するため、UAVの軌道と通信リソース割り当ての共同最適化問題を定式化する。
• 最大速度、最小速度、加速度に関する制約を含む3次元軌道設計を用いてUAVの運動をモデル化する。
• UAVが変動する速度で飛行することで、地上ユーザーへの近接性とエネルギーコストの両立を図る、時間スロット型システムモデルを採用する。
• 異なる推進エネルギー予算におけるスループットの上限および下限性能を導出する。
• 数値結果を用いて、エネルギーに応じたスループットのスケーリングを分析し、物理的制約（速度制限）に起因して限界に達することを示す。
• IoTアプリケーションへの拡張として、地上デバイスのエネルギー節約（UAVの推進エネルギーの増加を犠牲にして）を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVを用いた無線ネットワークにおけるスループット、遅延、推進エネルギー消費のトレードオフはどのように変化するか？
• RQ2 エネルギーおよび遅延制約のもとで、UAVの軌道設計が最適な通信性能を達成する上で果たす影響は何か？
• RQ3 UAVのLoSチャネルおよび3次元移動性は、地上ネットワークと比較して根本的なトレードオフをどのように変化させるか？
• RQ4 UAVの移動性は、エネルギー消費を管理しながら通信スループットをどの程度向上できるか？
• RQ5 推進エネルギーを増加させた場合のスループット向上の実用的限界は何か？ そして、この向上を制限する要因は何か？

主な発見

• スループットは、推進エネルギー予算が高くなるにつれて急激に向上するが、最小・最大速度制限などの物理的制約に起因してやがて飽和する。
• 十分な推進エネルギー（例：23,000 J）がある場合、速度および加速度制限に起因して、理論的上限より厳密に低い定常的なスループットが達成される。
• スループット-遅延トレードオフは、UAVの速度調整によって解消できる：高速飛行は遅延を短縮するがエネルギー消費を増加させ、逆にユーザーに近づいてゆっくり飛行することでスループットを向上させるが遅延が増加する。
• 遅延-エネルギートレードオフは明確である：高速移動は遅延を短縮するが推進エネルギーを多く消費する。一方、ゆっくり移動はエネルギー消費を減らすが遅延を増加させる。
• IoTデータ収集において、UAVの移動性により地上デバイスのエネルギー消費を削減できる（ユーザーに近づけるため）。しかし、これにはUAVの推進エネルギー消費が増加するため、新たなエネルギートレードオフが生じる。
• 太陽電池駆動のUAVでは、高度選択に非自明なトレードオフが存在する：高度を高くすると路損が増加するが、太陽光発電の効率が向上し、より柔軟な軌道設計が可能になる。