[论文解读] Fundamental Tradeoffs in Communication and Trajectory Design for UAV-Enabled Wireless Network

Qingqing Wu, Liang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 11被引用 14

一句话总结

本文通过联合优化无人机轨迹与资源分配，研究了无人机通信网络中通信吞吐量、时延和推进能耗之间的基本权衡。结果表明，可控的三维移动性可实现传统地面网络无法达到的权衡，当能量预算较高时吞吐量显著提升，但最终受限于物理速度与加速度约束。

ABSTRACT

The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) as aerial communication platforms is of high practical value for future wireless systems such as 5G, especially for swift and on-demand deployment in temporary events and emergency situations. Compared to traditional terrestrial base stations (BSs) in cellular network, UAV-mounted aerial BSs possess stronger line-of-sight (LoS) links with the ground users due to their high altitude as well as high and flexible mobility in three-dimensional (3D) space, which can be exploited to enhance the communication performance. On the other hand, unlike terrestrial BSs that have reliable power supply, aerial BSs in practice have limited on-board energy, but require significant propulsion energy to stay airborne and support high mobility. Motivated by the above new considerations, this article aims to revisit some fundamental tradeoffs in UAV-enabled communication and trajectory design. Specifically, it is shown that communication throughput, delay, and (propulsion) energy consumption can be traded off among each other by adopting different UAV trajectory designs, which sheds new light on their traditional tradeoffs in terrestrial communication. Promising directions for future research are also discussed.

研究动机与目标

• 分析无人机通信网络中吞吐量、时延与推进能耗之间的基本权衡。
• 研究如何利用无人机移动性与轨迹设计来平衡性能与能效。
• 识别无人机对地通信与传统地面通信在链路视距（LoS）信道与高移动性条件下的关键差异。
• 探索无人机在5G、物联网及应急通信场景中部署的实际影响。
• 为未来在现实约束下实现节能无人机轨迹与通信设计的研究提供指导。

提出的方法

• 构建联合优化问题，通过优化无人机轨迹与通信资源分配，在时延与能耗约束下最大化吞吐量。
• 采用三维轨迹设计建模无人机运动，约束包括最大速度、最小速度与加速度。
• 采用时隙系统模型，无人机以可变速度飞行，以平衡与地面用户的接近程度与能耗成本。
• 推导在不同推进能耗预算下的吞吐量上界与下界性能。
• 通过数值结果分析权衡关系，显示吞吐量随能耗增加而增长，最终因物理速度约束趋于极限。
• 通过考虑地面设备能耗降低而无人机推进能耗增加的条件，将分析扩展至物联网应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无人机通信网络中，吞吐量、时延与推进能耗之间如何权衡？
• RQ2 无人机轨迹设计对在能耗与时延约束下实现最优通信性能有何影响？
• RQ3 无人机的视距（LoS）信道与三维移动性如何改变其与传统地面网络之间的基本权衡？
• RQ4 在管理能耗的前提下，无人机移动性在多大程度上可提升通信吞吐量？
• RQ5 当推进能耗增加时，吞吐量提升的实际极限是什么？哪些约束限制了这一提升？

主要发现

• 吞吐量随推进能耗预算提高而迅速增加，但最终因最小与最大速度限制等物理约束趋于饱和。
• 在足够高的推进能耗下（例如 23,000 J），可实现的吞吐量趋近于一个恒定值，但严格低于理论上限，原因在于速度与加速度限制。
• 吞吐量-时延权衡可通过调节无人机速度解决：飞行速度越快，时延越低但能耗越高；飞行速度越慢、靠近用户时，吞吐量提升但时延增加。
• 时延-能耗权衡明显：更快移动可减少时延但消耗更多推进能量；更慢移动可降低能耗但增加时延。
• 在物联网数据采集中，无人机移动性可通过缩短与地面设备的距离降低其能耗，但会增加无人机的推进能耗，从而形成新的能耗权衡。
• 对于太阳能供电的无人机，高度选择存在非平凡的权衡：更高高度会增加路径损耗，但可提升太阳能能量收集效率，从而支持更灵活的飞行轨迹。