통신 중단 시간 제한을 고려한 셀룰러 연결 UAV 경로 설계

본 논문은 셀룰러 네트워크에 연결된 무인항공기(UAV)의 비행 경로 설계 문제를 다루며, 특히 통신 중단(outage) 시간이 일정 한도를 초과하지 않도록 하는 제약을 도입한다. 연구 배경으로는 UAV가 고속 이동성과 유연한 배치를 활용해 물류, 영상 촬영, 재난 대응 등 다양한 서비스에 활용되고 있으며, 이러한 UAV가 지상 기지국(GBS)과 안정적인 연결을 유지하는 것이 필수적이라는 점을 들었다. 기존 연구에서는 UAV가 비행 전 과정에서 최소 SNR(신호대잡음비) 목표를 만족하도록 경로를 설계했지만, 실제 환경에서는 GBS 배치, 서비스 요구, UAV의 기동성 제한 등으로 인해 목표 SNR을 항상 달성하기 어려운 경우가 발생한다. 따라서 일정 구간에서 통신이 끊기는 ‘outage’가 발생할 수밖에 없으며, 특히 지연 민감한 제어·영상 전송 서비스에서는 이러한 중단이 일정 시간 이상 지속되지 않도록 관리해야 한다. 이를 해결하기 위해 저자들은 ‘최대 허용 중단 시간(OT)’이라는 새로운 제약을 정의한다. UAV는 초기 위치 \(U_0\)와 최종 위치 \(U_F\) 사이를 비행하면서, 각 순간에 가장 가까운 GBS와 연결한다는 가정 하에 SNR은 거리 함수로 표현된다. 목표 SNR \(\bar{\rho}\)에 대응하는 최대 허용 거리 \(\bar{d}\)를 정의하고, UAV가 \(\bar{d}\) 이내에 있을 때 통신이 정상(비중단)이라고 본다. UAV가 어느 순간에도 \(\bar{d}\) 안에 있지 않으면 outage가 발생하며, 연속적인 outage 구간의 최대 길이가 \(\bar{O}_T\) 이하가 되도록 해야 한다. 문제는 비행 시간을 최소화하는 목적 함수와 초기·최종 위치 고정, UAV 속도 상한 \(V_{\max}\) 고정, 그리고 OT 제약을 포함하는 비선형 최적화 문제(P1)로 정식화된다. P1은 연속 시간 변수와 복잡한 max‑min 형태의 제약 때문에 직접 해결이 어려운 비볼록(non‑convex) 문제이다. 저자들은 이를 해결하기 위해 다음과 같은 단계적 변환을 수행한다. 1. **커버리지 영역 정의**: 각 GBS \(m\)에 대해 원형 디스크 \(C_m=\{u\in\mathbb{R}^2:\|u-g_m\|\le\bar{d}\}\)를 정의한다. UAV가 \(C_m\) 안에 있으면 해당 GBS와 비중단 통신이 가능하다. 2. **GBS‑UAV 연관 시퀀스 도입**: UAV가 비중단 구간 동안 순차적으로 연결되는 GBS들의 인덱스 집합 \(I=