[論文レビュー] UAV-Enabled Aerial Base Station (BS) III/III: Capacity Characterization of UAV-Enabled Two-User Broadcast Channel

Qingqing Wu, Jie Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 27被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、速度および電力制約下で、UAVの軌道と電力/レート割り当てを共同最適化することにより、UAVが支援する2ユーザーのブロードキャストチャンネルの容量領域を特徴づけている。有限の飛行時間において、スーパーポジション・コーディングを用いたホーバー・フライ・ホーバー（HFH）軌道が最適であり、干渉管理とモビリティゲインにより、最高のスペクトル効率を達成する。

ABSTRACT

Although prior works have exploited the UAV's mobility to enhance the wireless communication performance under different setups, the fundamental capacity limits of UAV-enabled/aided multiuser communication systems have not yet been characterized. To fill this gap, we consider in this paper a UAV-enabled two-user broadcast channel (BC), where a UAV flying at a constant altitude is deployed to send independent information to two users at different fixed locations on the ground. We aim to characterize the capacity region of this new type of BC over a given UAV flight duration, by jointly optimizing the UAV's trajectory and transmit power/rate allocations over time, subject to the UAV's maximum speed and maximum transmit power constraints. First, to draw essential insights, we consider two special cases with asymptotically large/low UAV flight duration/speed, respectively. For the former case, it is shown that a simple hover-fly-hover (HFH) UAV trajectory with time division multiple access (TDMA) based orthogonal multiuser transmission is capacity-achieving, while in the latter case, the UAV should hover at a fixed location that is nearer to the user with larger achievable rate and in general superposition coding (SC) based non-orthogonal transmission with interference cancellation at the receiver of the nearer user is required. Next, we consider the general case with finite UAV speed and flight duration. We show that the optimal UAV trajectory should follow a general HFH structure, i.e., the UAV successively hovers at a pair of initial and final locations above the line segment of the two users each with a certain amount of time and flies unidirectionally between them at the maximum speed, and SC is generally needed.

研究の動機と目的

• UAVが支援するマルチユーザー通信システムの根本的な容量限界を特徴づけること、特に2ユーザーのブロードキャストチャンネル設定において。
• UAVのモビリティが性能向上に寄与するという関心が高まる一方で、UAV支援無線ネットワークの理論的容量特徴づけが不足しているという問題に取り組むこと。
• 実用的制約下で、UAVの軌道と時間変動する電力/レート割り当てを共同最適化し、合計レートを最大化すること。
• 異なる飛行時間および速度領域において、直交（TDMA）対比非直交（SC）の最適伝送戦略を特定すること。
• 一般の有限速度および有限飛行時間の飛行シナリオにおける最適UAV軌道および伝送方針の構造を確立すること。

提案手法

• 有限飛行時間内におけるUAV軌道と時間変動する送信電力およびレート割り当ての共同最適化として、容量領域最大化問題を定式化する。
• 2つの漸近的ケースを分析する：無限飛行時間（HFHとTDMAが最適）および低速飛行（強いユーザーに近い位置でホーバーし、SCを用いるのが最適）。
• 最適軌道構造として、一般化されたホーバー・フライ・ホーバー（HFH）パターンを導出する。UAVは2人のユーザーを結ぶ線分上に2か所でホーバーし、最大速度で一方向に飛行する。
• 近いユーザーの受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いたスーパーポジション・コーディング（SC）により、非直交伝送における干渉を管理する。
• 凸最適化技術と軌道パrameter化を用いて、非凸問題を解き、漸近的解析からのインサイトを活用する。
• 最適解は、モビリティゲインとスペクトル効率のバランスを必要とし、有限飛行条件下では一般的にSCが必要であることを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2ユーザーのUAVが支援するブロードキャストチャンネルにおいて、容量領域を最大化する最適UAV軌道構造は何か？
• RQ2 最適伝送戦略（直交対比非直交）は、UAVの飛行時間および速度にどのように依存するか？
• RQ3 時間分割多重アクセス（TDMA）が容量を達成する条件は何か、またスーパーポジション・コーディング（SC）が必要となる条件は何か？
• RQ4 静的配置と比較して、UAVのモビリティがスペクトル効率に与える影響は何か？
• RQ5 UAVの速度および飛行時間制約は、最適軌道および電力割り当て方針にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 飛行時間が非常に長い場合、時間分割多重アクセス（TDMA）を用いたホーバー・フライ・ホーバー（HFH）軌道が容量を達成し、最大の合計レートを達成する。
• 低速飛行領域では、UAVはレートがより高いユーザーに近い固定位置でホーバーし、干渉キャンセレーションを伴うスーパーポジション・コーディング（SC）が必要となる。
• 一般の有限飛行時間および速度において、最適軌道は一般化されたHFH構造に従う：2人のユーザーを結ぶ線分上に初期および最終位置でホーバーし、最大速度で一方向に飛行する。
• 干渉を管理するために、有限状況では一般的にスーパーポジション・コーディング（SC）が必要であり、非直交伝送が直交方式を上回ることを示唆する。
• 容量領域は、静的配置またはTDMAのみの配置よりも厳密に大きいことが示され、軌道と電力最適化を共同で行う利点が明らかになる。
• 最適解は、モビリティゲインとスペクトル効率のバランスをとるものであり、UAVの飛行経路と電力割り当てを共同で最適化して、制約下で合計レートを最大化する。