[논문 리뷰] Cellular-Enabled UAV Communication: A Connectivity-Constrained Trajectory Optimization Perspective

Shuowen Zhang, Yong Zeng외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 18.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 63인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 셀룰러 기반 UAV의 연결성 제약 조건을 고려한 궤적 최적화 프레임워크를 제안하여, 지상 기지국(GBS)을 통한 신뢰할 수 있는 통신을 유지하면서 임무 완료 시간을 최소화한다. 그래프 이론과 볼록 최적화를 활용하여, 유연한 복잡도-성능 트레이드오프를 제공하는 다항식 시간 알고리즘을 설계하였으며, 비행 전반에 걸쳐 최소 신호 대 잡음비(SNR) 요구 조건을 충족시킨다.

ABSTRACT

Integrating the unmanned aerial vehicles (UAVs) into the cellular network is envisioned to be a promising technology to significantly enhance the communication performance of both UAVs and existing terrestrial users. In this paper, we first provide an overview on the two main paradigms in cellular UAV communications, i.e., cellular-enabled UAV communication with UAVs as new aerial users served by the ground base stations (GBSs), and UAV-assisted cellular communication with UAVs as new aerial communication platforms serving the terrestrial users. Then, we focus on the former paradigm and study a new UAV trajectory design problem subject to practical communication connectivity constraints with the GBSs. Specifically, we consider a cellular-connected UAV in the mission of flying from an initial location to a final location, during which it needs to maintain reliable communication with the cellular network by associating with one GBS at each time instant. We aim to minimize the UAV's mission completion time by optimizing its trajectory, subject to a quality-of-connectivity constraint of the GBS-UAV link specified by a minimum receive signal-to-noise ratio target. To tackle this challenging non-convex problem, we first propose a graph connectivity based method to verify its feasibility. Next, by examining the GBS-UAV association sequence over time, we obtain useful structural results on the optimal UAV trajectory, based on which two efficient methods are proposed to find high-quality approximate trajectory solutions by leveraging graph theory and convex optimization techniques. The proposed methods are analytically shown to be capable of achieving a flexible trade-off between complexity and performance, and yielding a solution that is arbitrarily close to the optimal solution in polynomial time. Finally, we make concluding remarks and point out some promising directions for future work.

연구 동기 및 목표

• 장거리 비행 중 UAV의 신뢰할 수 있는 셀룰러 연결성을 유지하는 데 도전하는 문제를 다루기.
• 임무 완료 시간을 최소화하면서도 가장 양호한 LOS 채널을 가진 가장 가까운 GBS에 지속적인 연결성을 확보하기 위해 UAV 궤적을 최적화하기.
• 비행 전반에 걸쳐 GBS-UAV 링크에 대해 최소 요구 SNR를 항상 확보하기.
• 실제 구현을 위해 계산 복잡도와 성능의 균형을 잡은 효율적인 알고리즘 개발하기.

제안 방법

• 연결성 및 SNR 제약 조건을 갖는 비볼록 최적화 문제로 궤적 설계를 수식화하기.
• 임의의 두 점 사이의 연결성을 점검하기 위해 등가 그래프를 사용한 타당성 검증 방법 도입하기.
• 시간에 따른 GBS 할당 순서 기반 최적 궤적의 구조적 성질 유도하기.
• 두 가지 효율적인 알고리즘 제안: 하나는 그래프 이론에 기반하고, 다른 하나는 볼록 최적화를 사용하며, 모두 임의로 최적에 가까운 해를 달성할 수 있음.
• GBS 커버리지 영역 간의 양자화된 경계 점을 사용하여 기지국 간 전환 지점을 근사하기.
• 각도 해상도와 최대 거리 이격도를 포함한 기하학적 추론을 통해 부분 최적성 갭을 한계화하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 임무 시간을 최소화하면서도 셀룰러 네트워크에 대한 신뢰할 수 있는 연결성을 유지할 수 있는 UAV 궤적을 최적화할 수 있는가?
• RQ2 연결성 및 SNR 제약 조건 하에서 최적 궤적의 구조적 성질은 무엇인가?
• RQ3 저복잡도 알고리즘이 다항식 시간 내에 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 GBS 커버리지 경계의 양자화는 최적 해 대비 성능 갭에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 알고리즘은 다항식 시간 내에 최적 궤적에 임의로 가까운 해를 달성한다.
• 부분 최적성 갭은 $ 4(M-1)\bar{d}\sin\left(\frac{\pi}{4(Q-1)}\right) $로 한계화되며, 여기서 $ M $은 사용되는 GBS 최대 수이고 $ Q $는 경계당 양자화된 점의 수이다.
• 모든 비행 시간 동안 최소 요구 SNR를 유지하기 위해, 매 순간 최적의 GBS를 동적으로 선택함으로써 방법이 보장된다.
• 수치 결과는 임무 완료 시간과 연결성 신뢰성 측면에서 벤치마크 방법 대비 뛰어난 성능을 보였다.
• 기반 그래프를 이용한 연결성 검증을 통한 타당성 검증은 최적화 과정에서 타당하지 않은 궤적을 효율적으로 제거할 수 있게 한다.
• GBS 할당 순서에 대한 구조적 통찰은 검색 공간을 크게 줄여주며, 확장 가능한 구현을 가능하게 한다.