[論文レビュー] Joint Trajectory and Communication Design for UAV-Enabled Multiple Access

Qingqing Wu, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 11被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、無人航空機（UAV）を用いた無線ネットワークにおける地上ユーザー間の最小スループットを最大化するため、UAVの飛行経路とマルチユーザー通信スケジューリングの共同最適化を提案する。ブロック座標降下法と逐次凸最適化を用いることで、局所最適解に収束するアルゴリズムが得られ、UAVがアクセス期間が長いユーザーの真上に滞空することで、最大2.2146 bps/Hzのスループット向上が達成される。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have attracted significant interest recently in wireless communication due to their high maneuverability, flexible deployment, and low cost. This paper studies a UAV-enabled wireless network where the UAV is employed as an aerial mobile base station (BS) to serve a group of users on the ground. To achieve fair performance among users, we maximize the minimum throughput over all ground users by jointly optimizing the multiuser communication scheduling and UAV trajectory over a finite horizon. The formulated problem is shown to be a mixed integer non-convex optimization problem that is difficult to solve in general. We thus propose an efficient iterative algorithm by applying the block coordinate descent and successive convex optimization techniques, which is guaranteed to converge to at least a locally optimal solution. To achieve fast convergence and stable throughput, we further propose a low-complexity initialization scheme for the UAV trajectory design based on the simple circular trajectory. Extensive simulation results are provided which show significant throughput gains of the proposed design as compared to other benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 移動する地上ユーザーを有するUAV搭載無線ネットワークにおける公平なスループット供給の課題に対処する。
• 有限時間内での最小ユーザーレートを最大化するため、UAV飛行経路とユーザースケジューリングの共同最適化問題を定式化する。
• 非凸かつ混合整数性を有する問題を、反復的近似技術により克服する。
• 円形または静的UAV方式といったベンチマーク手法と比較して、最適化された飛行経路の優位性を示す。
• 移動型UAVシステムにおけるスループット-アクセス遅延トレードオフを明らかにし、長いアクセス期間が公平性とスペクトル効率を向上させることを示す。

提案手法

• ユーザースケジューリング変数を二値から連続変数に緩和し、反復的最適化を可能にする。
• ブロック座標降下法を適用し、片方の変数を固定した上で、ユーザースケジューリングとUAV飛行経路を交互に最適化する。
• 非凸なUAV飛行経路部分問題を近似するため、逐次凸最適化を用い、取り扱い可能な解を得る。
• 収束を加速するため、円形飛行経路に基づく低複雑度の初期化手法を設計する。
• 飛行経路とスケジューリングの反復的精錬により、少なくとも局所最適解への収束を保証する。
• チャネル品質フィードバックとユーザー位置データを統合し、UAVの飛行経路と送信タイミングを動的に調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上ユーザーのダウンリンクスループットにおける公平性を最大化するため、UAVの飛行経路とユーザースケジューリングをどのように共同最適化できるか？
• RQ2 静的または円形飛行経路設計と比較して、UAVの移動性を活用することで、どの程度の性能向上が達成可能か？
• RQ3 アクセス期間Tが、UAV支援マルチアクセスにおける最大最小レートとアクセス遅延のトレードオフにどのように影響するか？
• RQ4 UAVがユーザーとの相対的位置を調整することで、空中から地上へのチャネル品質をどの程度向上できるか？
• RQ5 ユーザーが非一様に分布している場合、飛行経路設計の柔軟性がシステムスループットに与える影響はどの程度か？

主な発見

• アクセス期間Tが十分に大きい場合、提案された共同最適化アルゴリズムにより最大最小レートが2.2146 bps/Hzに達し、最適滞空下での理論的性能上限を示す。
• T = 120 sの場合、UAVの飛行経路は閉ループとなり、各ユーザーの真上に停止するゼロ速度の滞空フェーズを有し、チャネル品質とスループットが最大化される。
• 最大最小レートはTの増加に伴い上昇し、UAVの移動時間が無視できるほど小さくなると飽和する。これにより、長いアクセス期間の利点が裏付けられる。
• 最適化された飛行経路は、円形飛行経路と比較して最大最小レートで20–30%の向上を達成し、特に円形経路に近いユーザーで顕著である。
• 静的UAV方式はTに依存せず一定のレートを達成するため、スループット向上には移動性が不可欠であることが確認される。
• 円形飛行経路に基づく提案された初期化手法は、反復的アルゴリズムの収束速度と安定性を顕著に改善する。