[论文解读] UAV-Enabled Aerial Base Station (BS) III/III: Capacity Characterization of UAV-Enabled Two-User Broadcast Channel

Qingqing Wu, Jie Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 27被引用 10

一句话总结

该论文通过联合优化无人机轨迹与功率/速率分配，在速度和功率约束下表征了无人机辅助双用户广播信道的容量区域。结果表明，在有限飞行时长下，采用逐层编码的悬停-飞行-悬停（HFH）轨迹为最优，通过干扰管理与移动增益实现最高频谱效率。

ABSTRACT

Although prior works have exploited the UAV's mobility to enhance the wireless communication performance under different setups, the fundamental capacity limits of UAV-enabled/aided multiuser communication systems have not yet been characterized. To fill this gap, we consider in this paper a UAV-enabled two-user broadcast channel (BC), where a UAV flying at a constant altitude is deployed to send independent information to two users at different fixed locations on the ground. We aim to characterize the capacity region of this new type of BC over a given UAV flight duration, by jointly optimizing the UAV's trajectory and transmit power/rate allocations over time, subject to the UAV's maximum speed and maximum transmit power constraints. First, to draw essential insights, we consider two special cases with asymptotically large/low UAV flight duration/speed, respectively. For the former case, it is shown that a simple hover-fly-hover (HFH) UAV trajectory with time division multiple access (TDMA) based orthogonal multiuser transmission is capacity-achieving, while in the latter case, the UAV should hover at a fixed location that is nearer to the user with larger achievable rate and in general superposition coding (SC) based non-orthogonal transmission with interference cancellation at the receiver of the nearer user is required. Next, we consider the general case with finite UAV speed and flight duration. We show that the optimal UAV trajectory should follow a general HFH structure, i.e., the UAV successively hovers at a pair of initial and final locations above the line segment of the two users each with a certain amount of time and flies unidirectionally between them at the maximum speed, and SC is generally needed.

研究动机与目标

• 表征无人机辅助多用户通信系统的根本容量极限，特别是在双用户广播信道设置下。
• 解决尽管无人机移动性在性能增强方面受到广泛关注，但对无人机辅助无线网络的理论容量表征仍显不足的问题。
• 联合优化无人机轨迹与时变功率/速率分配，以在实际约束下最大化和速率。
• 在不同飞行时长与速度范围内，识别最优传输策略（正交（TDMA）与非正交（SC））的差异。
• 建立一般有限速度与有限飞行时长飞行场景下的最优无人机轨迹与传输策略结构。

提出的方法

• 将容量区域最大化问题建模为在有限飞行时长内对无人机轨迹与时变发射功率及速率分配的联合优化。
• 分析两种渐近情况：飞行时长效仿（此时HFH与TDMA最优）与低速飞行（此时在更强用户附近悬停并采用SC最优）。
• 推导出最优轨迹结构为一般形式的悬停-飞行-悬停（HFH）模式，即无人机在连接两个用户线段上方的两点悬停，并以最大速度单向飞行。
• 在较近用户接收端采用逐层编码（SC）与连续干扰消除（SIC）以管理非正交传输中的干扰。
• 应用凸优化技术与轨迹参数化方法求解非凸问题，利用渐近分析所得的洞察。
• 证明最优解需在移动增益与频谱效率之间取得平衡，且在有限飞行条件下通常需要SC。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无人机辅助双用户广播信道中，最大化容量区域的最优无人机轨迹结构是什么？
• RQ2 最优传输策略（正交与非正交）如何依赖于无人机飞行时长与速度？
• RQ3 在何种条件下时分多址（TDMA）可实现容量，而何时需要逐层编码（SC）？
• RQ4 与静态部署相比，无人机移动性对频谱效率有何影响？
• RQ5 无人机速度与飞行时长约束如何塑造最优轨迹与功率分配策略？

主要发现

• 在飞行时长效仿情况下，采用时分多址（TDMA）的悬停-飞行-悬停（HFH）轨迹为容量可达，可实现最大和速率。
• 在低速飞行区域，无人机应在更靠近容量更高用户的位置悬停，且需采用逐层编码（SC）与干扰消除。
• 对于一般有限飞行时长与速度情况，最优轨迹遵循一般HFH结构：在连接两用户的线段上方的初始与最终位置悬停，以最大速度单向飞行。
• 在有限情况下通常需要逐层编码（SC）以管理干扰，表明非正交传输优于正交方案。
• 容量区域严格大于静态部署或仅使用TDMA的部署方式，证明了联合轨迹与功率优化带来的增益。
• 最优解在移动增益与频谱效率之间取得平衡，无人机飞行路径与功率分配联合设计以在约束下最大化和速率。