[論文レビュー] Joint Trajectory and Communication Design for Multi-UAV Enabled Wireless Networks

Qingqing Wu, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 21被引用数 54

ひとこと要約

本論文は、ユーザのスケジューリング/アソシエーション、UAVの軌道、送信出力を共同最適化して、複数UAV下りリンクにおける最小スループットを最大化する共同最適化フレームワークを提案し、反復ブロック座標降下法と連続的凸化最適化を用いて解く。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have attracted significant interest recently in assisting wireless communication due to their high maneuverability, flexible deployment, and low cost. This paper considers a multi-UAV enabled wireless communication system, where multiple UAV-mounted aerial base stations (BSs) are employed to serve a group of users on the ground. To achieve fair performance among users, we maximize the minimum throughput over all ground users in the downlink communication by optimizing the multiuser communication scheduling and association jointly with the UAVs' trajectory and power control. The formulated problem is a mixed integer non-convex optimization problem that is challenging to solve. As such, we propose an efficient iterative algorithm for solving it by applying the block coordinate descent and successive convex optimization techniques. Specifically, the user scheduling and association, UAV trajectory, and transmit power are alternately optimized in each iteration. In particular, for the non-convex UAV trajectory and transmit power optimization problems, two approximate convex optimization problems are solved, respectively. We further show that the proposed algorithm is guaranteed to converge to at least a locally optimal solution. To speed up the algorithm convergence and achieve good throughput, a low-complexity and systematic initialization scheme is also proposed for the UAV trajectory design based on the simple circular trajectory and the circle packing scheme. Extensive simulation results are provided to demonstrate the significant throughput gains of the proposed design as compared to other benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 高機動性と干渉を伴う多-UAV下り通信で、公正な性能を動機付け、実現する。
• スケジューリング、UAV軌道、電力制御の共同設計を通じて地上ユーザ間の最小平均レートを最大化する。
• 混合整数非凸問題に対して収束保証を伴う効率的なアルゴリズムを開発する。
• 収束性と実用性を向上させる初期化および再構成法を提供する。

提案手法

• 軌道、電力、アソシエーション制約の下で最小ユーザレートを最大化する混合整数非凸最適化問題を定式化する。
• 二値のスケジューリング変数を連続値に緩和し、ブロック座標降下法を用いてスケジューリング/アソシエーション、UAV軌道、送信電力の3ブロックを反復的に最適化する。
• 凸化の境界と線形化を構築して非凸の軌道および電力問題を扱う連続的凸化を適用する。
• 収束を速めるための円形軌道に基づく初期化と円 packingスキームを導入する。
• 提案された緩和と近似に基づいて反復アルゴリズムの収束を証明し、緩和解から二値決定を再構成する方法を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数UAV下りリンクにおいて、スケジューリング/アソシエーション、UAV軌道、送信電力を共同設計することで地上ユーザの最小平均レートを最大化できるか。
• RQ2 UAVの機動性と干渉管理がマルチUAVネットワークのスループ throughputの公平性に与える影響は何か。
• RQ3 得られる混合整数非凸問題に対して収束保証付きの扱いやすいアルゴリズムをどう開発するか。
• RQ4 円形軌道初期化は収束とスループット性能を改善するか。
• RQ5 緩和した連続スケジューリング決定を二値アソシエーションへ効果的に写像するにはどうすれば良いか。

主な発見

• 提案アルゴリズムは、静的UAVやヒューリスティック軌道と比較して有意なスループットの改善を達成する。
• 軌道設計周期とともにスループットが改善され、マルチ-UAVシステムにおけるスループットとアクセス遅延のトレードオフを示す。
• 複数のUAVを用いると、単一UAV構成と比較してスループットとアクセス遅延のトレードオフを大幅に緩和する。
• ブロック座標降下法と連続凸化の近似を用いた本法は、提案緩和下で定常点へ収束する。
• 円形軌道と円パッキングに基づく効率的な初期化スキームは収束を速め、性能を向上させる。