Joint Trajectory and Communication Design for UAV-Enabled Multiple Access

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标题：Joint Trajectory and Communication Design for UAV-Enabled Multiple Access

通过联合轨迹和通信设计来支持无人机进行多用户访问 链接

作者：Qingqing Wu, Yong Zeng, and Rui Zhang

摘要

本文研究了支持无人机的无线网络，这里的无人机作为一个空中移动基站来为地面的一组用户提供服务。为了在用户之间实现公平的性能，本文通过在一个限定的范围内在所有的用户之间联合优化多用户通信调度和无人机轨迹来最大化最小的吞吐量。描述的问题是一个混合整数的非凸问题，很难求解。本文通过使用块坐标下降和连续凸逼近技巧提出了一种高效的迭代算法。为了实现快速收敛和稳定的吞吐量，本文基于简单的环形轨迹为无人机轨迹设计提出了一种低复杂性初始方案。大量的仿真结果表明，与其他基准方案相比，本文提出的设计显示出了显著的吞吐量增益。

引言

目标：在限定的时间范围内，通过联合优化用户通信调度和无人机轨迹在所有用户之间得到最大化最小的平均速率

问题1：1.对于给定的用户调度，UAV需要按顺序访问用户，并且实现短距离链接。2.对于给定的UAV轨迹，UAV需要根据它与用户之间的距离来调度用户。UAV轨迹和用户调度这两个问题在我们考虑的问题中总是紧密耦合的，优化解决他们具有挑战性。

解决：为了解决这个问题，本文首先将用于用户调度的二进制变量松弛为连续变量，并通过利用块坐标下降法设计的有效迭代算法来解决由此产生的问题。

问题2：然而，即使对于固定用户调度，无人机轨迹优化问题由于其非凸性仍然难以解决。

解决：因此，我们应用连续凸优化技术来近似求解它，保证收敛。

问题描述

系统模型

1.总时间由T表示，T不能设置的太大，需要在用户吞吐量和访问延迟中保持平衡。

2.无人机轨迹需要满足的两种限制

或者写成

其中

3.UAV在时间节n中到用户i的距离表示为：

4.UAV与用户的通信遵循LoS channel

5.UAV与用户通信的信道增益遵循自由空间路径损耗模型，表示为：

6.二进制变量表示用户i在时间节点n是否被服务，1被服务；0没有。并且在一个时间节点里，最多只能有一个用户被服务，它需要满足的限制为：

7.UAV的传输功率P从始至终为常量

8.用户i在第n个时间块中被调度通信的最大可达率表示为：

9.用户i在N个总时间块中平均可达速率表示为：

10.优化问题被描述为：

将(11c)二进制变量松弛为连续变量后：

结论