UAVネットワークとは、ドローン（無人航空機、UAV）が加わった無線ネットワークのことで、ドローンの関わり方は大きく2通りあります。ひとつは空中基地局や中継局として飛び、地上のネットワークが届かない場所や処理しきれない場所にカバレッジと容量を届ける役割。もうひとつは、スマートフォンと同じようにセルラーネットワークにつながる空中のユーザー端末で、ネットワーク側はそれを3次元の空間で支える必要があります。
背景#
手頃な価格のドローンが登場して以来、利用者は増え続けています。機動性が高く、ほかの手段では難しい空中の作業をこなせるからでしょう。5Gが目前に迫った今、研究者たちは、飛んでいるときと、次の飛行まで地上で待機しているときの両方で、ドローンをどこに置くかを最適化する新しい手法に取り組んでいます。配置がうまくいけば、セルラー接続の品質が上がり、空中のユーザー端末と地上の機器の間の平均遅延も減らせます。
A Tutorial on UAVs for Wireless Networks: Applications, Challenges, and Open Problems#
UAVの種類#
論文[1]は、UAVをサブクラスへと枝分かれするツリー図で分類しています。
Beyond 5G with UAVs: Foundations of a 3D Wireless Cellular Network#
はじめに#
- ドローンが大量に使われるようになれば、無線ネットワークに大きな影響が出る。
- 応用例はサーマルイメージング、荷物配送、空中基地局など。
- この論文は、3D空間を飛ぶ低高度のドローン型ユーザー端末に、高高度プラットフォーム（飛行船のようなUAV）に載せたアクセスポイントがサービスを提供する状況を扱っている。
背景#
- これまでの研究は、飛行中のドローンそのものがユーザー端末（UE）になるケースを無視していた。
- ドローンネットワークのユーザーアソシエーション（どの基地局に接続するか）に関する先行研究は、空中基地局を考慮していない。
システムモデル#
- ドローンは2種類。高高度ドローンが、低高度のユーザー端末ドローンに対するアクセスポイントの役割を果たす。
輸送理論#
 - 著者たちは、各ドローンUEをどの空中基地局につなぐかを最適輸送理論で決めています。シミュレーションでは、従来のSINRベースのアソシエーションに比べて平均遅延を最大46%減らせました。私の研究#
Facility Location Problem Approach for Distributed Drones#
この論文の出発点は2つの課題です。政府や航空当局はいずれドローンが離着陸できる場所を規制するはずですし、既存の研究の多くは、ドローンがどこから飛び立つのかを根拠なしに決め打ちしています。そこで私たちは、ドローンが離着陸し充電するための決まった拠点である「ドローンポート」と、施設配置問題をもとにしたアルゴリズムを提案しました。このアルゴリズムは候補地の集合からポートを選び、エリア内のタスクまでドローンが移動する平均距離を最小にします。得られるのは最適に近い配置で、ドローン全体のエネルギー消費を減らせます。さらに、いくつかの巡回セールスマン問題のアルゴリズムを使って、ドローンがすべてのタスクを回る最短ルートも求めました。
上の図は、需要の高いエリアにドローンポートを置くという考え方を表したものです。大きく色が付いているのが最適として選ばれたドローンポート、小さくグレーになっているのは、候補地のうち選ばれなかったものです。
施設配置問題#
施設配置問題として定式化すれば、ドローンポートの配置は「予算と候補地の集合が与えられたとき、どこに置くのが最適か」を求める最適化問題になります。