无人机组播信道容量：轨迹设计与功率分配联合优化

本文研究一种无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)赋能的组播信道，其中无人机作为移动发射机向一组 $K$ 个地面用户投递公共信息。我们旨在刻画该信道在有限无人机通信周期内的容量，并受其最大速度约束与平均发射功率约束的限制。为达到容量，无人机应使用足够长的码，覆盖其整个通信周期。相应地，组播信道容量通过最大化 $K$ 个用户的最小可达时间平均速率来实现，这需要联合优化无人机的轨迹与随时间变化的发射功率分配。然而，该问题非凸且难以最优求解。为处理此问题，我们首先考虑忽略无人机最大速度约束的松弛问题，并通过拉格朗日对偶方法获得其全局最优解。该最优解表明，无人机应悬停在有限个地面位置上方，且在每个位置具有最优悬停时长与发射功率。接下来，基于此种多点悬停解，我们提出一种连续悬停-飞行轨迹设计，并针对带最大速度约束的情形得到相应的最优发射功率分配。数值结果表明，我们所提出的无人机轨迹与发射功率联合优化显著提升了无人机组播信道的可达速率，并且也大幅优于具有固定位置发射机的传统组播信道。