Study on fundamental technologies for distributed control of UAV base station networks

• Project/Area Number: 23K24840
• Project/Area Number (Other): 22H03584 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60060:Information network-related
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: 木村 達明 同志社大学, 理工学部, 准教授 (00834673)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2025: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: UAV / 空中基地局 / 分散制御 / 確率幾何 / beyond5G / 自律分散型制御 / ゲーム理論 / ハンドオーバ / 自律分散制御 / 最適配置問題 / 無線エナジーハーベスティング / 5G

Outline of Research at the Start

UAV (unmanned aerial vehicle) 空中基地局は，機動性を生かしたオンデマンドな通信環境の展開が可能な，近年注目される通信パラダイムである．現在盛んに研究されている集中管理型のUAV空中基地局の制御法は，制御に要する情報収集のオーバーヘッドや，中央制御サーバとの通信遅延のため，広範囲なネットワークやユーザのダイナミクスが大きい場合には迅速な対応が困難となる．本研究では，UAVの局所的な情報に基づいて相互の連携により制御を行う自律分散型制御の実現に向け，その通信特性を表現する現実的な数理モデルと解析法，および，自律分散型の配置・経路・リソースの制御法の確立を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は，Unmanned Aerial Vehicle (UAV) 空中基地局ネットワークにおける自律分散型配置制御法の開発とその理論的な通信性能解析の検討を進め，また，関連する，より一般的な無線ネットワークを対象とした通信解析や制御法の開発を行った．まず，UAV空中基地局の自律分散型最適配置法に関しては，現実的な見通し内 (line-of-sight: LoS) および見通し外 (Non-LoS: NLoS) 環境を考慮した手法を，ゲーム理論のアプローチを用いて開発した．UAVと地上ユーザ間の通信路は一般の地上基地局ネットワークと比べLoS環境が確保しやすいため，UAV空中基地局ネットワークではLoS/NLoS環境の考慮が重要となるが，既存のUAV空中基地局の制御や通信品質解析の研究の多くは，空間的に独立な確率的LoSモデルを採用しており，現実的な空間相関のあるLoS/NLoS 環境を考慮できていない．そこで本研究では，空間内の各地点間のLoS/NLoS環境が与えられたもとでの自律分散型最適配置法を新たに考案した．今後はこれらの成果をまとめ，国際会議や論文誌での発表を行う．また，昨年度に検討した高度の異なるUAVからなるUAV空中基地局ネットワークにおけるハンドオーバ特性の解析を，UAVおよび地上ユーザのモビリティに関して複数のシナリオを考察してより一般的な枠組みでの解析を実施し，さらに，ハンドオーバ回数の期待値の理論式に対する扱いやすい形の近似公式を構築した．本研究成果は IEEE Communications Letters に採録された．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

UAV空中基地局ネットワークの制御については，計画通りに現実的な制約条件を考慮した手法を新たに考案できた．また，ハンドオーバ特性に関する新たな解析結果を得て論文の形にまとめることができた．以上より，本研究はおおむね順調に進展していると言える.

Strategy for Future Research Activity

2023年度に得られた成果は国際論文誌や国際会議などの対外発表を行う予定である．また，自律分散型の経路制御手法の開発や，自律分散型制御を行うUAVのモビリティモデルの確立を今後進める．

Research Products

• [Journal Article] Periodic Handover Skipping in Cellular Networks: Spatially Stochastic Modeling and Analysis (2024)
  • Author(s): Tokuyama Kiichi、Kimura Tatsuaki、Miyoshi Naoto
  • Journal Title: IEEE Transactions on Wireless Communications Volume: 23 Issue: 1 Pages: 91-103
  • DOI: 10.1109/twc.2023.3275926
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Handover Analysis in Aerial Base Station Networks With Different Altitudes (2024)
  • Author(s): Fujieda Koki、Kimura Tatsuaki、Takine Tetsuya
  • Journal Title: IEEE Communications Letters Volume: 28 Issue: 1 Pages: 138-142
  • DOI: 10.1109/lcomm.2023.3339847
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extraction and Prediction of User Communication Behaviors from DNS Query Logs Based on Nonnegative Tensor Factorization (2023)
  • Author(s): Hatanaka Kotaro、Kimura Tatsuaki、Komai Yuka、Ishibashi Keisuke、Kobayashi Masahiro、Harada Shigeaki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Network and Service Management Volume: Early Access Issue: 3 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1109/tnsm.2023.3238858
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distributed 3D Deployment Method for Aerial Base Stations (2022)
  • Author(s): 木村 達明、小蔵 正輝
  • Journal Title: SYSTEMS, CONTROL AND INFORMATION Volume: 66 Issue: 11 Pages: 434-439
  • DOI: 10.11509/isciesci.66.11_434
  • ISSN: 0916-1600, 2424-1806
  • Year and Date: 2022-11-15
• [Presentation] Geo識別不能性に基づくプライバシー保護を行うコグニティブ無線ネットワークの性能解析 (2023)
  • Author(s): 小渕竜太郎, 木村達明, 滝根哲哉
  • Organizer: 電子情報通信学会NS研究会
• [Presentation] LoS/NLoS環境を考慮したUAV空中基地局の自律分散型最適配置法 (2023)
  • Author(s): 古田牧太郎, 木村達明, 滝根哲哉
  • Organizer: 電子情報通信学会NS研究会
• [Presentation] 多数のユーザに対してオンラインクラスタリングを行うベイズ最適化 (2023)
  • Author(s): 山東祐斗, 木村達明, 木村拓人, 滝根哲哉
  • Organizer: 電子情報通信学会NS研究会
• [Presentation] Geo識別不能性に基づくプライバシー保護を行うコグニティブ無線ネットワークの確率幾何による性能解析 (2023)
  • Author(s): 小渕竜太郎, 木村達明, 滝根哲哉
  • Organizer: 電子情報通信学会RISING研究会
• [Presentation] ポテンシャルゲームによるLoS/NLoS環境を考慮したUAV空中基地局の自律分散型最適配置法 (2023)
  • Author(s): 古田牧太郎, 木村達明, 滝根哲哉
  • Organizer: 電子情報通信学会RISING研究会
• [Presentation] Distributed deployment of aerial base stations with RF energy harvesting (2022)
  • Author(s): Shunya Kida, Tatsuaki Kimura, and Tetsuya Takine
  • Organizer: IEEE VTC2022-spring
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高度の異なるUAVから構成される空中基地局ネットワークにおけるハンドオーバの確率幾何による解析 (2022)
  • Author(s): 藤枝航生, 木村達明, 滝根哲哉
  • Organizer: 電子情報通信学会NS研究会
• [Presentation] シャドウイングの空間相関を考慮した路車間通信における干渉電力の時間相関解析 (2022)
  • Author(s): 烏谷涼雅, 木村達明, 滝根哲哉
  • Organizer: 電子情報通信学会NS研究会
• [Presentation] 無線エナジーハーベスティングを行う空中基地局ネットワークにおける分散プッシュサムに基づく最適配置法 (2022)
  • Author(s): 喜田隼哉, 木村達明, 滝根哲哉
  • Organizer: 電子情報通信学会NS研究会
• [Presentation] UAV空中基地局の自律分散型最適配置法 (2022)
  • Author(s): 木村達明
  • Organizer: 電子情報通信学会RCS研究会
  • Invited
• [Presentation] UAV空中基地局の自律分散型制御の研究 (2022)
  • Author(s): 木村達明
  • Organizer: 電子情報通信学会IN研究会
  • Invited