[논문 리뷰] Fundamental Tradeoffs in Communication and Trajectory Design for UAV-Enabled Wireless Network

Qingqing Wu, Liang Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 18.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 11인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 UAV 기반 무선 네트워크에서 통신 대역폭, 지연, 추진 에너지 소비 간의 기본적 상충 관계를 UAV 항로와 자원 할당을 공동 최적화함으로써 조사한다. 제안된 방법은 제어 가능한 3차원 이동성 덕분에 지상 네트워크에서 달성할 수 없는 상충 관계를 가능하게 하며, 물리적 속도 및 가속도 제약으로 인해 제한되는 바까지 에너지 예산이 높아질수록 대역폭이 크게 증가함을 보여준다.

ABSTRACT

The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) as aerial communication platforms is of high practical value for future wireless systems such as 5G, especially for swift and on-demand deployment in temporary events and emergency situations. Compared to traditional terrestrial base stations (BSs) in cellular network, UAV-mounted aerial BSs possess stronger line-of-sight (LoS) links with the ground users due to their high altitude as well as high and flexible mobility in three-dimensional (3D) space, which can be exploited to enhance the communication performance. On the other hand, unlike terrestrial BSs that have reliable power supply, aerial BSs in practice have limited on-board energy, but require significant propulsion energy to stay airborne and support high mobility. Motivated by the above new considerations, this article aims to revisit some fundamental tradeoffs in UAV-enabled communication and trajectory design. Specifically, it is shown that communication throughput, delay, and (propulsion) energy consumption can be traded off among each other by adopting different UAV trajectory designs, which sheds new light on their traditional tradeoffs in terrestrial communication. Promising directions for future research are also discussed.

연구 동기 및 목표

• UAV 기반 무선 네트워크에서 대역폭, 지연, 추진 에너지 소비 간의 기본적 상충 관계를 분석하기.
• UAV 이동성 및 항로 설계가 성능과 에너지 효율성의 균형을 이루는 데 어떻게 활용될 수 있는지 조사하기.
• LoS 채널과 고속 이동성로 인해 UAV-지상 통신과 기존 지상 통신 간의 상충 관계에서 나타나는 주요 차이점 규명하기.
• 5G, IoT, 비상 통신 시나리오에서의 UAV 배치에 대한 실용적 영향 탐색하기.
• 실제 제약 조건 하에서 에너지 효율적인 UAV 항로 및 통신 설계를 위한 향후 연구를 이끌 가이드라인 제공하기.

제안 방법

• 지연 및 에너지 제약 하에서 대역폭을 최대화하기 위해 UAV 항로 및 통신 자원 할당의 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 최대 속도, 최소 속도, 가속도 제약 조건을 고려한 3차원 항로 설계를 통해 UAV의 운동을 모델링한다.
• UAV가 다양한 속도로 비행하여 지상 사용자에 가까이 다가가는 것과 에너지 비용을 균형 잡는 타임슬롯 시스템 모델을 사용한다.
• 다양한 추진 에너지 예산 하에서 상한선 및 하한선 대역폭 성능을 유도한다.
• 수치적 결과를 통해 에너지 증가에 따라 대역폭이 어떻게 증가하고 물리적 속도 제약으로 인해 한계에 도달하는지 분석함으로써 상충 관계를 분석한다.
• IoT 응용에 분석을 확장하여, 지상 장치의 에너지 절감을 위해 UAV 추진 에너지 소비 증가를 감수함으로써 실현 가능한 에너지 상충 관계를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV 기반 무선 네트워크에서 대역폭, 지연, 추진 에너지 소비는 어떻게 상충 관계를 이룹니까?
• RQ2 에너지 및 지연 제약 조건 하에서 UAV 항로 설계가 최적의 통신 성능을 달성하는 데 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 UAV의 LoS 채널과 3차원 이동성이 지상 네트워크와 비교해 기본적인 상충 관계를 어떻게 변화시킵니까?
• RQ4 UAV 이동성이 에너지 소비를 관리하면서 통신 대역폭을 얼마나 향상시킬 수 있나요?
• RQ5 추진 에너지를 증가시킬 때 대역폭 향상의 실질적 한계는 무엇이며, 어떤 제약 조건이 이 향상을 봉쇄합니까?

주요 결과

• 추진 에너지 예산이 높아질수록 대역폭이 급격히 증가하지만, 최소 및 최대 속도 제약과 같은 물리적 제약으로 인해 결국趋기다.
• 충분한 추진 에너지(예: 23,000 J)가 확보되면, 속도 및 가속도 제약으로 인해 이론적 상한선보다 엄밀히 낮은 값에 도달하는 가용 대역폭에 수렴한다.
• 지연-대역폭 상충 관계는 UAV 속도 조절을 통해 해결된다: 빠른 비행은 지연을 줄이지만 에너지 소비를 증가시키고, 사용자 근처에서 느린 비행은 지연을 증가시키지만 대역폭을 향상시킨다.
• 지연-에너지 상충 관계는 명확하다: 빠른 이동은 지연을 줄이지만 추진 에너지를 더 많이 소비하고, 느린 이동은 에너지 소비를 줄이지만 지연을 증가시킨다.
• IoT 데이터 수집에서 UAV 이동성은 지상 장치의 에너지 소비를 줄이기 위해 가까이 다가가게 해주지만, 이는 UAV의 추진 에너지 소비 증가를 초래하여 새로운 에너지 상충 관계를 만들어낸다.
• 태양광 추진 UAV의 경우 고도 선택에 비현실적인 상충 관계가 존재한다: 높은 고도는 경로 손실을 증가시키지만 태양 에너지 수확을 향상시켜 더 유연한 항로를 가능하게 한다.