多天线无人机数据收集：轨迹与通信联合优化

无人机（UAV）赋能通信是一项有前景的技术，可扩展传统地面无线通信系统的覆盖并提升吞吐量。本文考虑一个无人机赋能的无线传感器网络（WSN），其中派遣一架多天线无人机从一组传感器节点（SNs）收集数据。目标是在传感器节点最大发射功率与无人机最大速度等实际约束下，通过联合优化其传输调度与功率分配以及无人机轨迹，最大化所有传感器节点的最小数据收集速率。所表述的优化问题难以求解，因其涉及非凸约束与离散值变量。为获取有用见解，我们首先考虑所表述问题忽略无人机速度约束的特殊情形，并基于 Lagrange 对偶方法对其最优求解。结果表明，对于该松弛问题，无人机通常应在有限个最优位置上方悬停不同时长。接下来，我们处理考虑无人机速度约束的通用情形，并提出一种基于旅行商问题（TSP）的轨迹初始化，其中无人机以最小飞行时间依次访问松弛问题中获得的位置。给定此初始轨迹后，我们进而求得传感器节点对应的传输调度与功率分配，并应用块坐标下降（BCD）与连续凸近似（SCA）技术进一步优化无人机轨迹。最后，数值结果说明了所提多天线无人机数据收集方案相较基准方案在频谱与能量效率上的增益。