[논문 리뷰] Cellular-Enabled UAV Communication: Trajectory Optimization Under Connectivity Constraint

Shuowen Zhang, Yong Zeng외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 최소 신호 대 잡음비(SNR) 제약 조건을 통해 신뢰할 수 있는 연결성을 유지하면서 임무 완료 시간을 최소화하는 셀룰러 기반 무인 항공기(UAV) 통신을 위한 궤적 최적화 프레임워크를 제안한다. 그래프 이론과 볼록 최적화를 활용하여 반복적인 개선을 통해 GBS 연결성과 궤적 세그먼트를 확보함으로써 실현 가능하고 거의 최적의 비행 경로를 보장한다.

ABSTRACT

In this paper, we study a cellular-enabled unmanned aerial vehicle (UAV) communication system consisting of one UAV and multiple ground base stations (GBSs). The UAV has a mission of flying from an initial location to a final location, during which it needs to maintain reliable wireless connection with the cellular network by associating with one of the GBSs at each time instant. We aim to minimize the UAV mission completion time by optimizing its trajectory, subject to a quality of connectivity constraint of the GBS-UAV link specified by a minimum received signal-to-noise ratio (SNR) target, which needs to be satisfied throughout the mission. This problem is non-convex and difficult to be optimally solved. We first propose an effective approach to check its feasibility based on graph connectivity verification. Then, by examining the GBS-UAV association sequence during the UAV mission, we obtain useful insights on the optimal UAV trajectory, based on which an efficient algorithm is proposed to find an approximate solution to the trajectory optimization problem by leveraging techniques in convex optimization and graph theory. Numerical results show that our proposed trajectory design achieves near-optimal performance.

연구 동기 및 목표

• 기존 4G/5G 네트워크를 활용하여 시야 외(UAV)에서 신뢰할 수 있고 저지연의 명령 및 제어 통신을 가능하게 하는 도전 과제를 해결한다.
• 최소 SNR 요구 조건을 충족하면서 지상 기지국(GBS)에 지속적인 연결성을 유지하면서 UAV 임무 완료 시간을 최소화한다.
• 동적 GBS 연결성과 SNR 제약 조건으로 인해 발생하는 궤적 최적화 문제의 비볼록성 문제를 극복한다.
• 실제 UAV 배포에 적합한 실용적 알고리즘을 개발하여 계산 효율성과 거의 최적의 성능 사이의 균형을 이룬다.
• 최적화 이전에 궤적 해법의 실현 가능성을 검증하기 위해 그래프 연결성 기반의 실현 가능성 검증 메커니즘을 제공한다.

제안 방법

• 최소 SNR, 최대 UAV 속도, 시간에 따른 GBS 연결성에 대한 제약 조건을 포함한 비볼록 프로그램으로 궤적 최적화 문제를 수립한다.
• 주어진 궤적 시퀀스가 모든 GBS 간 연결성을 유지할 수 있는지 확인하기 위해 그래프 기반 실현 가능성 검증을 도입한다.
• GBS-UAV 연결 시퀀스를 고정하고 수동 이동 지점 간의 궤적을 볼록 최적화를 통해 최적화함으로써 문제를 재구성한다.
• 그래프 이론의 최단경로 알고리즘을 적용하여 최소 임무 시간을 위한 최적의 수동 이동 위치와 GBS 순서를 식별한다.
• 반복적인 개선을 통해 GBS 연결 시퀀스 선택과 궤적 최적화를 번갈아 적용하여 거의 최적의 해로 수렴한다.
• 삼각 부등식과 경로 압축 기법을 활용하여 중복된 GBS 연결성이 임무 시간을 증가시키지 않도록 제거할 수 있음을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 SNR 제약 조건 하에서 셀룰러 네트워크에 신뢰할 수 있는 연결성을 유지하면서 임무 완료 시간을 최소화할 수 있는 UAV 궤적을 최적화할 수 있는가?
• RQ2 GBS 연결성과 수동 이동 지점 측면에서 최적 궤적의 구조적 특성은 무엇인가?
• RQ3 그래프 이론과 볼록 완화를 활용하여 비볼록 궤적 최적화 문제를 해석 가능 형태로 변환할 수 있는가?
• RQ4 임무 완료 시간 측면에서 제안된 알고리즘과 최적 해 사이의 성능 격차는 얼마인가?
• RQ5 제안된 방법은 동적 연결성 제약 조건 하에서도 궤적의 실현 가능성을 어떻게 보장하는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 수치 평가에서 최적 해의 5% 이내로 거의 최적의 성능를 달성한다.
• 그래프 연결성 검증을 통해 최적화 이전에 후보 궤적의 실현 가능성을 효율적으로 검증할 수 있어 계산 오버헤드를 감소시킨다.
• 최적 궤적은 레이먼드 1에 의해 증명된 바와 같이 중복된 GBS 연결성을 피한다. 이는 시퀀스에서 연속적인 연결 인덱스가 동일하지 않아야 한다는 것을 의미한다.
• 궤적의 구조는 UAV 최대 속도에 의해 제약을 받으며, 각 수동 이동 지점 간의 세그먼트는 정확히 최소 거리와 최대 속도의 비율과 같다.
• 고정된 연결 시퀀스를 사용한 재구성된 문제에서는 볼록 최적화 기법을 적용할 수 있어 계산의 실현 가능성이 크게 향상된다.
• 수치 결과는 제안된 방법이 다양한 SNR 및 속도 제약 조건 하에서 기준 대비 방법보다도 임무 시간과 연결 신뢰성 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.