Unmanned aerial vehicles (UAVs) can be utilized as aerial base stations (ABSs) to provide wireless connectivity for ground users (GUs) in various emergency scenarios. However, it is a NP-hard problem with exponential complexity in $M$ and $N$, in order to maximize the coverage rate of $M$ GUs by jointly placing $N$ ABSs with limited coverage range. The problem is further complicated when the coverage range becomes irregular due to site-specific blockages (e.g., buildings) on the air-ground channel, and/or when the GUs are moving. To address the above challenges, we study a multi-ABS movement optimization problem to maximize the average coverage rate of mobile GUs in a site-specific environment. The Spatial Deep Learning with Multi-dimensional Archive of Phenotypic Elites (SDL-ME) algorithm is proposed to tackle this challenging problem by 1) partitioning the complicated ABS movement problem into ABS placement sub-problems each spanning finite time horizon; 2) using an encoder-decoder deep neural network (DNN) as the emulator to capture the spatial correlation of ABSs/GUs and thereby reducing the cost of interaction with the actual environment; 3) employing the emulator to speed up a quality-diversity search for the optimal placement solution; and 4) proposing a planning-exploration-serving scheme for multi-ABS movement coordination. Numerical results demonstrate that the proposed approach significantly outperforms the benchmark Deep Reinforcement Learning (DRL)-based method and other two baselines in terms of average coverage rate, training time and/or sample efficiency. Moreover, with one-time training, our proposed method can be applied in scenarios where the number of ABSs/GUs dynamically changes on site and/or with different/varying GU speeds, which is thus more robust and flexible compared with conventional DRL-based methods.


翻译:无人机(UAV)可作为空中基站(ABS)在各种应急场景中为地面用户(GU)提供无线连接。然而,通过联合配置覆盖范围有限的N个空中基站以最大化M个地面用户的覆盖率,是一个在M和N上具有指数复杂度的NP-hard问题。当覆盖范围因站点特定阻塞(如建筑物)在空地信道上变得不规则,和/或地面用户发生移动时,问题进一步复杂化。为应对上述挑战,我们研究了多空中基站移动优化问题,以在站点特定环境中最大化移动地面用户的平均覆盖率。本文提出基于多维表型精英档案的空间深度学习(SDL-ME)算法来解决这一难题,其方法包括:1)将复杂的空中基站移动问题分解为多个跨有限时间窗的空中基站部署子问题;2)使用编码器-解码器深度神经网络(DNN)作为模拟器,捕获空中基站/地面用户的空间相关性,从而降低与实际环境交互的成本;3)利用该模拟器加速质量多样性搜索以获取最优部署方案;4)提出规划-探索-服务机制用于多空中基站移动协调。数值结果表明,所提方法在平均覆盖率、训练时间和/或样本效率上显著优于基准深度强化学习(DRL)方法及其他两种基线。此外,经过一次性训练后,所提方法可应用于空中基站/地面用户数量在站点动态变化和/或地面用户速度不同/变化的场景,因此相比传统基于DRL的方法具有更强的鲁棒性和灵活性。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
4+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
3+阅读 · 6月17日
相关VIP内容
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员