[논문 리뷰] Trajectory Optimization for Completion Time Minimization in UAV-Enabled Multicasting

Yong Zeng, Xiaoli Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 22.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 29인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 임무 완료 시간을 최소화하기 위해 무인 항공기(UAV)를 활용한 멀티캐스팅을 위한 최적화된 궤적 설계를 제안한다. 랜덤 선형 네트워크 코딩(RLNC)을 사용하여 파일 복구 성공 확률의 하한을 유도함으로써 문제를 각 지상 단말기와의 최소 연결 시간 요구 조건으로 재구성함으로써, 볼록 최적화와 선형 프로그래밍을 통해 조각별 선형 궤적을 최적화할 수 있다.

ABSTRACT

This paper studies an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled multicasting system, where a UAV is dispatched to disseminate a common file to a number of geographically distributed ground terminals (GTs). Our objective is to design the UAV trajectory to minimize its mission completion time, while ensuring that each GT is able to successfully recover the file with a high probability required. We consider the use of practical random linear network coding (RLNC) for UAV multicasting, so that each GT is able to recover the file as long as it receives a sufficiently large number of coded packets. However, the formulated UAV trajectory optimization problem is non-convex and difficult to be directly solved. To tackle this issue, we first derive an analytical lower bound for the success probability of each GT's file recovery. Based on this result, we then reformulate the problem into a more tractable form, where the UAV trajectory only needs to be designed to meet a set of constraints each on the minimum connection time with a GT, during which their distance is below a designed threshold. We show that the optimal UAV trajectory only needs to constitute connected line segments, thus it can be obtained by determining first the optimal set of waypoints and then UAV speed along the lines connecting the waypoints. We propose practical schemes for the waypoints design based on a novel concept of virtual base station (VBS) placement and by applying convex optimization techniques. Furthermore, for given set of waypoints, we obtain the optimal UAV speed over the resulting path efficiently by solving a linear programming (LP) problem. Numerical results show that the proposed UAV-enabled multicasting with optimized trajectory design achieves significant performance gains as compared to benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 분산된 지상 단말기로의 멀티캐스팅에서 UAV 임무 완료 시간을 최소화하는 문제에 대응한다.
• 실용적인 랜덤 선형 네트워크 코딩(RLNC)을 사용하여 각 지상 단말기에서 높은 확률로 파일 복구를 보장한다.
• 기존 궤적 최적화 문제의 비볼록성 문제를 분석적 재구성으로 해결한다.
• 경유지 사이의 직선 세그먼트로 구성된 조각별 선형 궤적을 설계한다.
• 선형 프로그래밍을 통해 주어진 궤적에 따라 최적의 UAV 속도를 효율적으로 계산할 수 있도록 한다.

제안 방법

• RLNC를 사용하여 각 지상 단말기에서 파일 복구 성공 확률에 대한 분석적 하한을 유도한다.
• 원래의 비볼록 문제를 각 지상 단말기당 최소 연결 시간 제약 조건이 있는 다루기 쉬운 형태로 재구성한다.
• 최적의 UAV 궤적이 비결정적 경유지 사이의 직선 세그먼트로만 이루어져 있음을 증명한다.
• 볼록 최적화를 통해 최적의 경유지 배치를 안내하기 위해 가상 기지국(Virtual Base Stations, VBS)의 개념을 도입한다.
• 세그먼트로 나누어진 경로에 따라 최적의 UAV 속도를 결정하기 위해 선형 프로그래밍(LP) 문제를 제작하고 해결한다.
• 연결된 지상 단말기 집합이 변화하는 임계 시점들을 사용하여 궤적을 세그먼트로 분할한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RLNC를 통해 신뢰할 수 있는 파일 전달을 보장하면서 UAV 궤적을 어떻게 최적화하여 임무 완료 시간을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 UAV와 지상 단말기 간 거리, 연결 시간, 파일 복구 성공 확률 사이의 분석적 관계는 무엇인가?
• RQ3 비볼록 궤적 최적화 문제는 볼록 또는 다루기 쉬운 형태로 재구성될 수 있는가?
• RQ4 주어진 제약 조건 하에서 최적의 UAV 궤적의 구조적 형태는 무엇인가?
• RQ5 세그먼트로 나누어진 경로를 따라 최적의 UAV 속도를 효율적으로 계산하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 최적의 UAV 궤적은 경유지 사이의 연결된 직선 세그먼트로만 이루어져 있어 효율적인 계산이 가능하다.
• 제안된 방법은 기준 대비 성능 향상을 크게 달성하여 완료 시간 단축에 기여한다.
• 가상 기지국(VBS)의 사용은 커버리지 향상을 위해 효과적이고 볼록 최적화된 경유지 배치를 가능하게 한다.
• 선형 프로그래밍을 통해 주어진 경유지에 대해 궤적을 따라 최적의 UAV 속도를 효율적으로 계산할 수 있음을 입증하였다.
• 최소 연결 시간 제약 조건을 포함한 재구성된 문제로 인해 모든 지상 단말기에서 높은 확률로 파일 복구가 보장된다.
• 원래의 비볼록 문제를 볼록 및 선형 하위문제의 시퀀스로 환원함으로써 궤적 최적화 프레임워크는 강건하고 확장 가능하다.