Throughput Optimization in Heterogeneous Swarms of Unmanned Aircraft Systems for Advanced Aerial Mobility

吞吐量 群体行为 计算机科学 调度(生产过程) 稳健性(进化) 分布式计算 软件部署 数学优化 无线 人工智能 数学 电信 生物化学 化学 基因 操作系统
作者
Jian Wang,Yongxin Liu,Shuteng Niu,Weipeng Jing,Houbing Song
出处
期刊:IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23 (3): 2752-2761 被引量:17
标识
DOI:10.1109/tits.2021.3082512
摘要

The ubiquitous deployment of 5G New Radio (5G NR) stimulates Unmanned Aircraft Systems (UAS) swarm networking to evolve to achieve more imminent progress. The heterogeneous collaboration between UAS swarm enhances the complexity and the efficiency of mission complement that requires robustness, flexibility, and sustainability of throughput in UAS swarm networking. The conventional approaches mainly are based on the hierarchical architectures that are limited to satisfy the challenges of UAS swarm with high dynamics on a large scale. In this paper, we propose an optimal cell wall paradigm to enhance the throughput in heterogeneous UAS swarm networking. With the weight adjustment of each link, we map the optimization into a polyhedron scheduling problem and formula the problem into Max-min Throughput Fair Scheduling (MTFS). Further, we propose a max-min throughput algorithm to optimize the minimum throughput of cell wall paradigm. With the optimal max-min throughput, we optimize the schedule with edge-coloring to achieve global MTFS solving. The normalized MTFS shows our algorithm can achieve over 40% improvement of MTFS globally. In terms of MTFS solving, our algorithms have promising potential to improve the throughput and mitigate the incidents for multiple beams enabling of UAS in cell wall communication. With the throughput enhancement, the advanced aerial mobility of UAS swarm networking can be escalated on a large scale.

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