Resource Optimization of Airborne Base Stations Using Artificial Intelligence Methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In remote areas and disaster-stricken regions, unmanned aerial vehicles (UAVs) can serve as base stations, providing wireless communication to ground users. Due to their high mobility, low cost, and rapid deployment and retrieval capabilities, UAVs can continuously adjust their position in three-dimensional (3D) space, improving wireless connectivity and enhancing data transmission rates. In this paper, we investigate the problem of ABS (Aerial Base Station) deployment in 3D space and power allocation with the aim of maximizing the data transmission rate in the system. To address this non-convex problem, we propose Q-learning, a reinforcement learning algorithm. By using the ABS as an agent, the algorithm enables the ABS to explore the state space and take actions based on an ϵ-greedy policy (optimal epsilon value) to determine its 3D position and power allocation. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm outperforms individual position optimization and power allocation optimization.The purpose of this article is to study the efficiency of using modern artificial intelligence methods to optimize the use of resources of airborne base stations of public communication networks.The essence of the proposed solution is to use modern artificial intelligence methods, namely: the Q-learning method and the epsilon-greedy ϵ-greedy algorithm to ensure joint optimization of the placement of airborne base stations and power distribution to maximize the data transfer rate. The system has an implementation in the form of a simulation program. Simulation experiments have shown that the use of the Q-learning reinforcement learning method and the epsilon-greedy e-greedy algorithm for joint optimization provides a higher overall data transfer rate in the system compared to optimizing only the location or power distribution.The scientific novelty of the proposed solution is that joint optimization of the placement of an airborne base station and power distribution made it possible, in contrast to known results, to establish that the flight altitude of a UAV with a base station installed on it when optimizing only the location will be higher than the flight altitude of a UAV when jointly optimizing the location and power distribution.The practical significance is the possibility of developing a methodology for planning public communication networks using airborne base stations to obtain a higher overall data transfer rate on the corresponding network fragment. 

About the authors

T. D. Tran

The Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications

Email: chan.tz@sut.ru
ORCID iD: 0009-0006-0080-9477

A. E. Koucheryavy

The Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications

Email: akouch@sut.ru
ORCID iD: 0000-0003-4479-2479
SPIN-code: 1012-4238

References

  1. Ding G., Wu Q., Zhang L., Lin Y., Tsiftsis T.A., Yao Y.D. An amateur drone surveillance system based on the cognitive Internet of Things // IEEE Communications Magazine. 2018. Vol. 56. Iss.1. PP. 29‒35. doi: 10.1109/MCOM.2017.1700452. EDN:YBEOMH
  2. Rose K., Eldridge S., Chapin L. The internet of things: An overview // The internet society (ISOC). 2015. Vol. 80(15). PP. 1‒53.
  3. Zhao N., Lu W., Sheng M., Chen Y., Tang J., Yu F.R., et al. UAV-Assisted Emergency Networks in Disasters // IEEE Wireless Communications. 2019. Vol. 26. Iss. 1. PP. 45‒51. doi: 10.1109/MWC.2018.1800160
  4. Li B., Fei Z., Zhang Y. UAV communications for 5G and beyond: Recent advances and future trends // IEEE Internet of Things Journal. 2018. Vol. 6. Iss. 2. PP. 2241‒2263. doi: 10.1109/JIOT.2018.2887086. EDN:UPZMGQ
  5. Shannon C.E. A mathematical theory of communication // The Bell System Technical Journal. 1948. Vol. 27. Iss. 3. PP. 379‒423. doi: 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x
  6. Sutton R.S. Reinforcement learning: An introduction. The MIT Press, 2018.
  7. Jaakkola T., Jordan M., Singh S. Convergence of Stochastic Iterative Dynamic Programming Algorithms // Advances in Neural Information Processing Systems 6 (NIPS 1993). 1993.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».