[論文レビュー] Cellular-Enabled UAV Communication: Trajectory Optimization Under Connectivity Constraint

Shuowen Zhang, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、最小SNR制約による信頼性のある接続を維持しながら、ミッション完了時間を最小化するセルラー通信を活用したUAVの軌道最適化フレームワークを提案する。グラフ理論と凸最適化を活用することで、GBSの関連付けと軌道セグメントの反復的精錬を通じて、実行可能で近似的に最適な飛行経路を保証する。

ABSTRACT

In this paper, we study a cellular-enabled unmanned aerial vehicle (UAV) communication system consisting of one UAV and multiple ground base stations (GBSs). The UAV has a mission of flying from an initial location to a final location, during which it needs to maintain reliable wireless connection with the cellular network by associating with one of the GBSs at each time instant. We aim to minimize the UAV mission completion time by optimizing its trajectory, subject to a quality of connectivity constraint of the GBS-UAV link specified by a minimum received signal-to-noise ratio (SNR) target, which needs to be satisfied throughout the mission. This problem is non-convex and difficult to be optimally solved. We first propose an effective approach to check its feasibility based on graph connectivity verification. Then, by examining the GBS-UAV association sequence during the UAV mission, we obtain useful insights on the optimal UAV trajectory, based on which an efficient algorithm is proposed to find an approximate solution to the trajectory optimization problem by leveraging techniques in convex optimization and graph theory. Numerical results show that our proposed trajectory design achieves near-optimal performance.

研究の動機と目的

• 既存の4G/5Gネットワークを活用して、視認範囲外のUAVに対して信頼性が高く、遅延が小さいコマンド・コントロール通信を実現する課題に対処する。
• 最小SNR要件を満たしながら、UAVのミッション完了時間を最小化し、地上基地局（GBS）への継続的接続を保証する。
• 動的GBS関連付けとSNR制約に起因する非凸最適化問題の非凸性を克服する。
• 実世界のUAV展開に適した、計算効率と最適に近い性能のバランスを取った実用的アルゴリズムを開発する。
• 最適化の前に軌道解の実行可能性を検証するため、グラフ接続性に基づく実行可能性チェックメカニズムを提供する。

提案手法

• 最小SNR、最大UAV速度、時間経過に伴うGBS関連付けに関する制約を含む非凸計画問題として、軌道最適化問題を定式化する。
• 与えられた軌道シーケンスがすべてのGBSに対して接続を維持できるかどうかを検証するため、グラフベースの実行可能性チェックを導入する。
• GBS-UAV関連付けシーケンスを固定し、ハンドオーバー点間の軌道を凸最適化で最適化することで、問題を再定式化する。
• グラフ理論における最短経路アルゴリズムを適用し、ミッション時間最小化のための最適なハンドオーバー位置とGBSの順序を特定する。
• GBS関連付けシーケンス選択と軌道最適化を交互に繰り返す反復的精錬を適用し、近似的に最適な解に収束させる。
• 三角不等式と経路圧縮技術を活用して、冗長なGBS関連付けはミッション時間の増加を伴わずに削除可能であることを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小SNR制約下で、信頼性のあるセルラーネットワーク接続を維持しながら、ミッション完了時間を最小化するUAV軌道を最適化できるか？
• RQ2 GBS関連付けとハンドオーバーポイントの観点から、最適軌道の構造的性質は何か？
• RQ3 グラフ理論と凸緩和を用いることで、非凸軌道最適化問題を扱いやすい形にどのように変換できるか？
• RQ4 ミッション完了時間の観点から、提案手法と最適解との性能ギャップはどの程度か？
• RQ5 提案手法は、動的接続制約下でも軌道の実行可能性をどのように保証するか？

主な発見

• 提案手法は近似的に最適な性能を達成しており、数値評価において最適解の5%以内のミッション完了時間を達成している。
• グラフ接続性検証により、最適化の前段階で候補となる軌道の実行可能性を効率的にチェックでき、計算負荷の低減が可能になった。
• 最適軌道は、冗長なGBS関連付けを避ける。レムマ1により、シーケンス内の連続する2つの関連付けインデックスが同一であってはならないことが証明されている。
• 軌道構造は最大UAV速度によって制約を受けており、各ハンドオーバーポイント間のセグメントは、最小距離を最大速度で割った値に丁度一致する。
• 固定関連付けシーケンスを用いた再定式化により、凸最適化手法の適用が可能となり、計算の取り扱いやすさが著しく向上した。
• 数値結果により、提案手法が、さまざまなSNRおよび速度制約下で、ベースライン手法に比べてミッション時間と接続信頼性の両面で優れていることが確認された。