[논문 리뷰] Joint Trajectory and Communication Design for Multi-UAV Enabled Wireless Networks

Qingqing Wu, Yong Zeng외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 08.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 21인용 수 54

한 줄 요약

이 논문은 다중 UAV 하향링크에서 최소 처리량을 최대화하기 위해 사용자 스케줄링/연결, UAV 궤적, 전력 제어를 공동으로 최적화하는 반복적인 블록 좌표 하강 및 순차적 convex 최적화를 통한 공동 최적화 프레임워크를 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고 이동성과 간섭이 있는 다중 UAV 하향링크 통신에서 공정한 성능을 촉진하고 가능하게 한다.
• 스케줄링, UAV 궤적 및 전력 제어의 공동 설계를 통해 지상 사용자 간의 최소 평균 데이터율을 최대화한다.
• 혼합 정수 비볼록 문제에 대한 수렴 보장을 갖는 효율적인 알고리즘을 개발한다.
• 수렴성과 실용적 적용 가능성을 향상시키기 위한 초기화 및 재구성 방법을 제공한다.

제안 방법

• 궤도, 전력 및 연관성 제약 조건 하에서 최소 사용자 속도를 최대화하기 위한 혼합 정수 비볼록 최적화 문제를 형식화한다.
• 이진 스케줄링 변수를 연속 값으로 이완하고 블록 좌표 하강법을 적용하여 스케줄링/연관, UAV 궤도, 전송 전력의 세 블록을 반복적으로 최적화한다.
• 비선형 궤도 및 전력 문제를 다루기 위해 수렴하는 convex 경계와 선형화를 구성하는 순차적Convex 최적화를 사용한다.
• 수렴 속도를 높이기 위해 원형 궤도 기반 초기화와 원형 포장(circle-packing) 스킴을 도입한다.
• 제안된 이완 및 근사에 따라 반복 알고리즘의 수렴을 보장하고 이완 해로부터 이진 의사결정을 재구성하는 방법을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 UAV 하향링크에서 스케줄링/연관, UAV 궤도 및 전송 전력을 공동 설계해 지상 사용자의 최소 평균 속도를 최대화할 수 있는가?
• RQ2 다중 UAV 네트워크에서 UAV 이동성과 간섭 관리가 처리량 공정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 수렴 보장을 갖는 실용적 알고리즘을 어떻게 개발할 수 있는가?
• RQ4 원형 궤도 초기화가 수렴 및 처리량 성능을 향상시키는가?
• RQ5 이완된 연속 스케줄링 의사결정을 이진 연결로 효과적으로 매핑하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 정적 UAV 또는 휴리스틱 궤적을 사용하는 벤치마크 대비 상당한 처리량 이득을 달성한다.
• 궤도 설계 주기에 따라 처리량이 향상되며 다중 UAV 시스템에서 처리량-접근 지연의 트레이드오프를 보여준다.
• 다중 UAV를 사용하면 단일 UAV 설정에 비해 처리량-접근 지연 트레이드오프를 크게 완화한다.
• 블록 좌표 하강법과 순차적 Convex 최적화는 제안된 이완과 근사 하에서 정상점으로 수렴한다.
• 원형 궤도 및 원형 포장 기반의 효율적 초기화 스킴은 수렴을 가속화하고 성능을 향상시킨다.