[论文解读] Joint Trajectory and Communication Design for UAV-Enabled Multiple Access

Qingqing Wu, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 11被引用 12

一句话总结

本文提出了一种联合优化无人机轨迹与多用户通信调度的方法，以最大化无人机辅助无线网络中地面用户的最小吞吐量。通过块坐标下降法与连续凸优化，该算法收敛至局部最优解，使无人机能够直接悬停于访问周期较长的用户上方，从而实现高达2.2146 bps/Hz的吞吐量增益。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have attracted significant interest recently in wireless communication due to their high maneuverability, flexible deployment, and low cost. This paper studies a UAV-enabled wireless network where the UAV is employed as an aerial mobile base station (BS) to serve a group of users on the ground. To achieve fair performance among users, we maximize the minimum throughput over all ground users by jointly optimizing the multiuser communication scheduling and UAV trajectory over a finite horizon. The formulated problem is shown to be a mixed integer non-convex optimization problem that is difficult to solve in general. We thus propose an efficient iterative algorithm by applying the block coordinate descent and successive convex optimization techniques, which is guaranteed to converge to at least a locally optimal solution. To achieve fast convergence and stable throughput, we further propose a low-complexity initialization scheme for the UAV trajectory design based on the simple circular trajectory. Extensive simulation results are provided which show significant throughput gains of the proposed design as compared to other benchmark schemes.

研究动机与目标

• 解决在具有移动地面用户的无人机辅助无线网络中实现公平吞吐量分配的挑战。
• 在有限时间范围内，制定无人机轨迹与用户调度的联合优化问题，以最大化最小用户速率。
• 通过迭代逼近技术克服问题的非凸性与混合整数特性。
• 证明优化轨迹相较于基准方案（如圆形或静态无人机）的优越性。
• 揭示移动无人机系统中吞吐量与访问延迟之间的权衡关系，其中更长的访问周期可提升公平性与频谱效率。

提出的方法

• 将二值用户调度变量松弛为连续变量，以支持迭代优化。
• 应用块坐标下降法，交替优化用户调度与无人机轨迹，同时固定另一变量。
• 采用连续凸优化方法逼近非凸的无人机轨迹子问题，以获得可解的近似解。
• 设计基于圆形轨迹的低复杂度初始化方法，以加速收敛。
• 通过轨迹与调度的迭代精炼，确保收敛至至少局部最优解。
• 集成信道质量反馈与用户位置数据，动态调整无人机飞行路径与传输时机。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化无人机轨迹与用户调度，以最大化地面用户下行链路吞吐量的公平性？
• RQ2 与静态或圆形轨迹设计相比，利用无人机移动性可实现多大的性能增益？
• RQ3 访问周期 T 如何影响无人机辅助多址接入系统中最大最小速率与访问延迟之间的权衡？
• RQ4 无人机通过调整相对于用户的相对位置，能在多大程度上改善空中到地面的信道质量？
• RQ5 当用户分布不均匀时，轨迹设计的灵活性对系统吞吐量有何影响？

主要发现

• 当访问周期 T 足够大时，所提出的联合优化算法可实现最大最小速率 2.2146 bps/Hz，代表在最优悬停条件下的理论性能上限。
• 当 T = 120 s 时，无人机轨迹形成闭合回路，包含在每个用户正上方的零速悬停阶段，从而最大化信道质量与吞吐量。
• 最大最小速率随 T 增加而提升，并在无人机飞行时间可忽略时趋于饱和，证实了更长访问周期的优势。
• 与圆形轨迹相比，优化轨迹在最大最小速率上提升20–30%，尤其对远离圆形路径的用户更为显著。
• 静态无人机方案的速率保持恒定，与 T 无关，证实移动性对吞吐量提升至关重要。
• 基于圆形轨迹的所提初始化方法显著提升了迭代算法的收敛速度与稳定性。