[論文レビュー] Joint Altitude and Beamwidth Optimization for UAV-Enabled Multiuser Communications

Haiyun He, Shuowen Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 12被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、UAVを用いたマルチユーザー通信のための飛行・ホバリング・通信プロトコルを提案し、スループットを最大化するために、高度と指向性アパーチャのビーム幅を共同最適化する。3つのモデル（下行マルチキャスト（MC）、ブロードキャスト（BC）、上行複数アクセス（MAC））を対象としている。主な発見は、最適な高度とビーム幅が通信モデルに強く依存しており、MCでは最大高度と中程度のビーム幅が最適であり、BCでは最小高度と最小ビーム幅が最適であり、MACでは高度に依存しないがビーム幅最適化に敏感であることである。

ABSTRACT

In this letter, we study multiuser communication systems enabled by an unmanned aerial vehicle (UAV) that is equipped with a directional antenna of adjustable beamwidth. We propose a fly-hover-and-communicate protocol where the ground terminals (GTs) are partitioned into disjoint clusters that are sequentially served by the UAV as it hovers above the corresponding cluster centers. We jointly optimize the UAV's flying altitude and antenna beamwidth for throughput optimization in three fundamental multiuser communication models, namely UAV-enabled downlink multicasting (MC), downlink broadcasting (BC), and uplink multiple access (MAC). Our results show that the optimal UAV altitude and antenna beamwidth critically depend on the communication model considered.

研究の動機と目的

• UAVの高度と指向性アパーチャのビーム幅のトレードオフを解消する。
• 地面端末をクラスタに分割して逐次サービスを提供する実用的な飛行・ホバリング・通信プロトコルを設計する。
• 下行MC、BC、上行MACの3つの基本的マルチユーザー通信モデルにおけるスループットを最大化するために、UAVの高度とビーム幅を共同最適化する。
• 通信モデルに応じた最適なUAV展開とビーム幅設定に関する設計インサイトを提供する。
• 現実的なシステムパrameterを想定して、数値結果により解析的スループットモデルの妥当性を検証する。

提案手法

• UAVがクラスタの中心上にホバリングし、互いに排他的な地面端末クラスタを逐次サービスする飛行・ホバリング・通信プロトコルを提案する。
• UAVの指向性アパーチャを、調整可能な半パワー半値ビーム幅 $2\Theta$ でモデル化し、方位角と仰角のビーム幅が等しいと仮定する。
• 高度 $H$ とビーム幅 $Θ$ の関数として、合計スループット $\tilde{R}_{\mathrm{MC}}$, $\tilde{R}_{\mathrm{BC}}$, および $\tilde{R}_{\mathrm{MAC}}$ の解析的表現を導出する。
• 下行リンクには自由空間伝搬損失モデル、上行リンクにはロッグディスタンス伝搬損失モデルを適用する。
• 下行BCと上行MACの両方で周波数分割多重アクセス（FDMA）を適用し、独立したデータ送信を可能にする。
• 投影された地面領域 $\pi H^2 \tan^2\Theta$ を基に、1クラスタあたりにサービス可能な地面端末の有効数を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVの高度とビーム幅の共同最適化は、UAVを用いた下行マルチキャストにおけるスループットにどのように影響するか？
• RQ2 独立したデータストリームをサポートする場合、下行ブロードキャストにおける最適なUAVの高度とビーム幅設定は何か？
• RQ3 ビーム幅を調整可能な場合、UAVの高度は上行複数アクセスのスループットにどのように影響するか？
• RQ4 ビーム幅の調整は上行MAC性能に顕著な影響を与えるか？その影響の仕組みは何か？
• RQ5 異なるマルチユーザー通信モデルにおいて、高度とビーム幅の最適設定はどのように異なるか？

主な発見

• 下行マルチキャストでは、スループットは高度が上昇するにつれて増加し、最適ビーム幅は高度が上昇するにつれて減少する。高度が無限大に近づくと、最小値に近づく。
• 下行ブロードキャストでは、スループットは高度が高くなるほど、またビーム幅が広がるほど低下するため、最適設定は最小高度と最小ビーム幅である。
• 上行複数アクセスでは、パスロスとサービス対象端末数の相殺効果により、スループットはUAVの高度に依存しないが、ビーム幅に依存する。
• 上行MACの最適ビーム幅は約 $1.3195$ ラジアン（$79.73^\circ$）であり、この値は異なる地面端末密度に対して安定している。
• 数値結果により、解析的モデルが妥当であることが確認され、シミュレーションと解析的スループットの間で良好な一致が得られた。
• 飛行・ホバリング・通信プロトコルは実装可能性を高め、各通信モデルごとに異なる最適化ルールが明らかになった。