[论文解读] Joint Altitude and Beamwidth Optimization for UAV-Enabled Multiuser Communications

Haiyun He, Shuowen Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 12被引用 10

一句话总结

本文提出了一种用于无人机（UAV）增强型多用户通信的飞行-悬停-通信协议，通过联合优化高度和定向波束宽度，以最大化三种模型下的吞吐量：下行链路多播（MC）、广播（BC）和上行链路多址接入（MAC）。主要发现表明，最优高度和波束宽度在很大程度上取决于通信模型：MC模型倾向于采用最大高度和中等波束宽度，BC模型需要最小高度和最小波束宽度，而MAC模型与高度无关但对波束宽度优化极为敏感。

ABSTRACT

In this letter, we study multiuser communication systems enabled by an unmanned aerial vehicle (UAV) that is equipped with a directional antenna of adjustable beamwidth. We propose a fly-hover-and-communicate protocol where the ground terminals (GTs) are partitioned into disjoint clusters that are sequentially served by the UAV as it hovers above the corresponding cluster centers. We jointly optimize the UAV's flying altitude and antenna beamwidth for throughput optimization in three fundamental multiuser communication models, namely UAV-enabled downlink multicasting (MC), downlink broadcasting (BC), and uplink multiple access (MAC). Our results show that the optimal UAV altitude and antenna beamwidth critically depend on the communication model considered.

研究动机与目标

• 解决多用户无人机通信中无人机高度与定向波束宽度之间的权衡问题。
• 设计一种实用的飞行-悬停-通信协议，将地面用户分组为集群并按顺序提供服务。
• 在三种基本多用户通信模型（下行链路MC、BC和上行链路MAC）中，联合优化无人机高度与波束宽度以实现吞吐量最大化。
• 基于通信模型，提供关于最优无人机部署与波束宽度设置的设计洞见。
• 通过在实际系统参数下的数值结果验证分析的吞吐量模型。

提出的方法

• 提出一种飞行-悬停-通信协议，其中无人机悬停于集群中心上方，并按顺序服务互不重叠的地面用户集群。
• 将无人机的定向波束天线建模为可调节的半功率波束宽度 $2\Theta$，假设方位角与俯仰角波束宽度相等。
• 推导出总吞吐量 $\tilde{R}_{\mathrm{MC}}$、$\tilde{R}_{\mathrm{BC}}$ 和 $\tilde{R}_{\mathrm{MAC}}$ 的解析表达式，作为高度 $H$ 和波束宽度 $\Theta$ 的函数。
• 采用路径损耗模型，下行链路使用自由空间路径损耗模型，上行链路使用对数距离路径损耗模型。
• 在下行链路BC和上行链路MAC中应用频 division multiple access (FDMA)，以支持独立的数据传输。
• 基于投影到地面的面积 $\pi H^2 \tan^2\Theta$ 推导出每集群可服务的地面用户有效数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无人机增强型下行链路多播中，无人机高度与波束宽度的联合优化如何影响吞吐量？
• RQ2 在具有独立数据流的下行链路广播中，最优无人机高度与波束宽度配置是什么？
• RQ3 当波束宽度可调时，无人机高度如何影响上行链路多址接入的吞吐量？
• RQ4 波束宽度调节是否显著影响上行链路MAC性能？如果是，其影响机制如何？
• RQ5 不同多用户通信模型下的最优高度与波束宽度设置有何差异？

主要发现

• 对于下行链路多播，吞吐量随高度增加而提升，且最优波束宽度随高度增加而减小，当高度趋于无穷大时趋近于最小值。
• 对于下行链路广播，吞吐量随高度升高和波束宽度变宽而下降，因此最优配置为最小高度与最小波束宽度。
• 对于上行链路多址接入，由于路径损耗与可服务用户数之间的补偿效应，吞吐量与无人机高度无关，但对波束宽度敏感。
• 上行链路MAC的最优波束宽度约为 $1.3195$ 弧度（$79.73^\circ$），且该值在不同地面用户密度下均具有鲁棒性。
• 数值结果验证了分析模型，仿真吞吐量与分析吞吐量在所有三种通信模型中均高度吻合。
• 飞行-悬停-通信协议支持实际部署，并揭示了不同通信模型下各具特色的优化规则。