[论文解读] Overcoming Endurance Issue: UAV-Enabled Communications with Proactive Caching

Xiaoli Xu, Yong Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 31被引用 5

一句话总结

本文提出一种利用无人机（UAV）的主动缓存方案，以克服无人机在无人机通信中飞行续航时间有限的问题。通过无人机向选定的地面节点（GNs）预先传输文件进行缓存，文件可通过本地缓存或设备到设备（D2D）通信获取，从而将无人机的参与仅限于缓存阶段。主要贡献在于联合优化缓存策略、无人机轨迹和传输调度，实现缓存成本与检索成本之间的根本性权衡，显著提升系统续航能力和效率。

ABSTRACT

Wireless communication enabled by unmanned aerial vehicles (UAVs) has emerged as an appealing technology for many application scenarios in future wireless systems. However, the limited endurance of UAVs greatly hinders the practical implementation of UAV-enabled communications. To overcome this issue, this paper proposes a novel scheme for UAV-enabled communications by utilizing the promising technique of proactive caching at the users. Specifically, we focus on content-centric communication systems, where a UAV is dispatched to serve a group of ground nodes (GNs) with random and asynchronous requests for files drawn from a given set. With the proposed scheme, at the beginning of each operation period, the UAV pro-actively transmits the files to a subset of selected GNs that cooperatively cache all the files in the set. As a result, when requested, a file can be retrieved by each GN either directly from its local cache or from its nearest neighbor that has cached the file via device-to-device (D2D) communications. It is revealed that there exists a fundamental trade-off between the file caching cost, which is the total time required for the UAV to transmit the files to their designated caching GNs, and the file retrieval cost, which is the average time required for serving one file request. To characterize this trade-off, we formulate an optimization problem to minimize the weighted sum of the two costs, via jointly designing the file caching policy, the UAV trajectory and communication scheduling. As the formulated problem is NP-hard in general, we propose efficient algorithms to find high-quality approximate solutions for it. Numerical results are provided to corroborate our study and show the great potential of proactive caching for overcoming the limited endurance issue in UAV-enabled communications.

研究动机与目标

• 解决无人机在无线通信中飞行续航时间有限的关键限制。
• 通过在地面节点实现基于缓存内容的文件检索，减少对无人机持续存在的依赖。
• 联合优化文件缓存策略、无人机轨迹和传输调度，以提升系统效率。
• 刻画无人机辅助内容中心网络中文件缓存成本与文件检索成本之间的权衡关系。
• 提出高效算法以求解在实际约束下的NP难优化问题。

提出的方法

• 系统分为两个阶段运行：主动文件缓存阶段，无人机向选定的地面节点（GNs）传输文件；文件检索阶段，GNs通过本地缓存或D2D通信访问文件。
• 文件缓存在一组协作存储集合中所有文件的GNs上，以最小化检索延迟和信道使用量。
• 联合优化无人机轨迹和传输调度，以最小化文件传输至缓存GNs的总时间。
• 构建联合优化框架，以最小化缓存成本（无人机传输时间）与检索成本（平均文件访问延迟）的加权和。
• 证明该问题为NP难问题，因此提出高效近似算法以获得高质量解。
• 该方法利用D2D通信将流量从无人机卸载，减少对无人机持续运行的需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过地面节点的主动缓存来降低无人机在无人机通信中的续航需求？
• RQ2 在无人机辅助的内容中心网络中，文件缓存成本与文件检索成本之间存在何种根本性权衡？
• RQ3 如何通过联合优化缓存策略、无人机轨迹和传输调度来提升系统性能？
• RQ4 与仅优化一个或两个组件（如轨迹或缓存策略）相比，联合设计能带来多大的性能增益？
• RQ5 文件流行度和GN位置分布如何影响最优缓存与轨迹设计？

主要发现

• 所提出的缓存策略、无人机轨迹和传输调度的联合优化方案，在性能上显著优于仅优化一个或两个组件的基准方案。
• 基准方案1（随机比例缓存）在θ=0.07时达到与所提方案相近的缓存成本，但由于文件放置次优，检索成本更高。
• 基准方案2（优化缓存策略与TSP轨迹）达到与所提方案相同的最低检索成本，但缓存成本显著更高，凸显了优化无人机轨迹的优势。
• 基准方案3（最优概率缓存）相比随机缓存降低了检索成本，但在相同缓存成本下仍表现逊于所提方案，证明了联合设计的优势。
• 仿真结果表明，所提方案在缓存成本与检索成本之间实现了灵活的权衡，使系统设计可根据运行约束进行调节。
• 结果证实，结合优化无人机轨迹与调度的主动缓存，可有效克服无人机在内容中心通信中的续航限制。