Completion Time Minimization With Path Planning for Fixed-Wing UAV Communications

计算机科学 数学优化 启发式 吞吐量 最大化 缩小 路径损耗 计算复杂性理论 无线 最优化问题 路径(计算) 算法 数学 电信 计算机网络
作者
Haichao Wang,Jinlong Wang,Guoru Ding,Jin Chen,Feifei Gao,Zhu Han
出处
期刊:IEEE Transactions on Wireless Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:18 (7): 3485-3499 被引量:95
标识
DOI:10.1109/twc.2019.2914203
摘要

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have attracted increasing attention in wireless communications due to the high mobility. This paper investigates a fixed-wing UAV-to-UAV (U2U) communications system, with the aim of minimizing the information transmission time via proactively designing the UAV paths. First, we propose a general optimization framework for U2U communications, which covers the communication throughput requirement, interference from terrestrial transmitters, UAV maximum/minimum speeds and accelerations, and minimum U2U distance. To tackle the formulated optimization, the communication throughput constraint that contains uncertain locations of terrestrial transmitters is transformed into a deterministic expression with the aid of S-procedure, and the nonlinear equality constraints on the UAV paths are replaced by linear equality constraints with additional positive semidefinite matrix constraints. Then, we develop a path planning algorithm based on the exact penalty method and successive convex approximation. Furthermore, we design a heuristic path planning algorithm that solves the completion time minimization problem by iteratively addressing a series of throughput maximization problems. The proposed heuristic algorithm strikes a good tradeoff between the computational complexity and the achievable performance. Finally, the simulation results are presented to verify the proposed path planning algorithms under various parameter configurations.
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