[논문 리뷰] Joint Trajectory and Communication Design for UAV-Enabled Multiple Access

Qingqing Wu, Yong Zeng외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 06.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 11인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 UAV가 수신자에 대해 더 오랜 접근 시간을 가지는 경우 UAV가 직접 위에 정지 비행함으로써 최소 처리량을 극대화하는 UAV 기반 무선 네트워크에서 지상 사용자 간의 공정한 처리량 제공 문제를 해결하기 위해 UAV 항로와 다중 사용자 통신 스케줄링의 공동 최적화를 제안한다. 블록 좌표 강하법과 순차적 볼록 최적화를 사용하여 알고리즘이 국소 최적해로 수렴하며, UAV가 접근 시간이 긴 사용자 위에 정지 비행함으로써 최대 2.2146 bps/Hz까지 처리량 향상을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이동하는 지상 사용자가 있는 UAV 기반 무선 네트워크에서 공정한 처리량 제공 문제를 해결한다.
• 유한한 시간 간격 동안 최소 사용자 비율을 극대화하기 위해 UAV 항로와 사용자 스케줄링의 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록성 및 혼합정수 성격을 가진 문제를 반복적 근사 기법을 통해 극복한다.
• 원형 또는 정적 UAV와 같은 기준 설계 대비 최적화된 항로의 우수성을 입증한다.
• 이동하는 UAV 시스템에서 처리량-접근 지연 간의 상충 관계를 규명하며, 더 긴 접근 시간이 공정성과 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.

제안 방법

• 사용자 스케줄링 이진 변수를 연속 변수로 이완하여 반복 최적화를 가능하게 한다.
• 다른 변수를 고정하면서 사용자 스케줄링과 UAV 항로를 번갈아 최적화하기 위해 블록 좌표 강하법을 적용한다.
• 비볼록 UAV 항로 하위 문제를 다룰 수 있는 근사 기법을 사용하기 위해 순차적 볼록 최적화를 활용한다.
• 수렴 속도를 높이기 위해 원형 항로 기반 저복잡도 초기화 전략을 설계한다.
• 항로와 스케줄링의 반복 보완을 통해 국소 최적해로 수렴을 보장한다.
• 채널 품질 피드백과 사용자 위치 데이터를 통합하여 UAV 비행 경로와 전송 시간을 동적으로 조정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 사용자에 대한 다운링크 처리량의 공정성을 극대화하기 위해 UAV 항로와 사용자 스케줄링을 어떻게 공동 최적화할 수 있는가?
• RQ2 정적 또는 원형 경로 설계 대비 UAV 이동성의 활용으로 기대할 수 있는 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 접근 시간 T가 UAV 보조 다중접근에서 최소 최대 비율과 접근 지연 간의 상충 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 사용자 위치에 비례하여 UAV가 위치를 조정함으로써 공기-지상 채널 품질을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 사용자가 비균일하게 분포되어 있을 경우, 항로 설계의 유연성은 시스템 처리량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 접근 시간 T가 충분히 클 경우 제안된 공동 최적화 알고리즘이 최대 최소 비율 2.2146 bps/Hz를 달성하며, 최적 정지 비행 조건에서 이론적 성능 상한선을 나타낸다.
• T = 120 s일 경우 UAV 항로는 각 사용자 위에 정지 비행 단계가 포함된 폐쇄된 루프 형태를 띠며, 채널 품질과 처리량을 극대화한다.
• 최소 최대 비율은 T가 증가함에 따라 증가하며, UAV 이동 시간이 무시할 수 있을 정도로 작아지면趋세를 보이며 포화 상태에 도달함을 확인하였다.
• 특히 원형 경로 근처에 있지 않은 사용자에게서는 최적화된 항로가 원형 항로 대비 최소 최대 비율에서 20~30% 향상된 성능을 기록하였다.
• 정적 UAV 설계는 T와 무관하게 일정한 비율을 유지하며, 이는 이동성의 중요성을 확인한다.
• 원형 항로 기반으로 설계된 제안된 초기화 방법은 반복 알고리즘의 수렴 속도와 안정성을 크게 향상시켰다.