[論文レビュー] Efficiency Maximization for UAV-Enabled Mobile Relaying Systems with Laser Charging

Minjian Zhao, Qingjiang Shi+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 47被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、レーザー基盤の無線電力伝送を備えたUAVによる移動中継システムにおいて、軌道と電力割り当てを共同最適化するフレームワークを提案し、エネルギー効率と電力伝送効率の重み付き和を最大化する。CCCPおよびPDDという2つの新規アルゴリズムを導入し、移動性、エネルギー因果性、情報因果性の制約のもとで非凸問題に対する効率的で定常的な解を得る。シミュレーションによりその有効性が確認されている。

ABSTRACT

This work studies the joint problem of power and trajectory optimization in an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled mobile relaying system. In the considered system, in order to provide convenient and sustainable energy supply to the UAV relay, we consider the deployment of a power beacon (PB) which can wirelessly charge the UAV and it is realized by a properly designed laser charging system. To this end, we propose an efficiency (the weighted sum of the energy efficiency during information transmission and wireless power transmission efficiency) maximization problem by optimizing the source/UAV/PB transmit powers along with the UAV's trajectory. This optimization problem is also subject to practical mobility constraints, as well as the information-causality constraint and energy-causality constraint at the UAV. Different from the commonly used alternating optimization (AO) algorithm, two joint design algorithms, namely: the concave-convex procedure (CCCP) and penalty dual decomposition (PDD)-based algorithms, are presented to address the resulting non-convex problem, which features complex objective function with multiple-ratio terms and coupling constraints. These two very different algorithms are both able to achieve a stationary solution of the original efficiency maximization problem. Simulation results validate the effectiveness of the proposed algorithms.

研究の動機と目的

• UAVのバッテリー寿命が限られている問題に取り組み、レーザー基盤の無線電力伝送により継続的なエネルギー補給を可能にする。
• データ伝送のエネルギー効率と電力伝送効率を組み合わせた合成効率指標を最大化するため、UAVの軌道、送信源、中継、電力ビーコンの送信電力を共同で最適化する問題を定式化する。
• 移動性制約、エネルギー因果性、情報因果性の制約を最適化フレームワークに組み込むことで、実用的妥当性を確保する。
• 非凸最適化問題を解くために、2つの異なるアルゴリズム的手法—CCCPおよびPDD—を考案し、複数の比の項と結合制約を扱う。
• 標準的な交互最適化に依存せずに、効率最大化問題に対する定常解を保証された収束性で達成する。

提案手法

• UAVを2つの地上ノード間の中継として機能させ、持続的な運用を可能にするために、電力ビーコン（PB）によるレーザー充電を支援するシステムをモデル化する。
• データ伝送のエネルギー効率と電力伝送効率を組み合わせた合成効率の目的関数を定義し、比の重み付き和として定式化する。
• 非凸目的関数を段階的に凸部分問題に近似するため、凹凸-凸手続き（CCCP）を適用する。
• 結合制約をデュアル化して処理し、勾配降下更新を用いて緩和された問題を解くことで、ペナルティ双対分解（PDD）を用いる。
• 一次近似と線形化技術を用いて、各タイムスロットごとに分離可能な部分問題に問題を分解し、計算を効率化する。
• 各部分問題を射影操作または凸最適化技術により解き、妥当性と定常点への収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー充電を備えた移動中継システムにおいて、UAVの移動性と電力割り当てをどのように共同最適化すれば、システム効率を最大化できるか？
• RQ2 持続的なエネルギー供給が可能なレーザー充電が利用可能な場合、UAV中継の性能限界はどの程度か？
• RQ3 エネルギー因果性と情報因果性の制約は、効率的なUAV中継システムの設計にどのように影響を与えるか？
• RQ4 CCCPおよびPDDは、従来の交互最適化に比べて、非凸共同最適化問題を効果的に解くことができるか？
• RQ5 軌道設計と電力制御は、データ伝送効率と無線電力伝送効率のトレードオフにどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案されたCCCPおよびPDDアルゴリズムは、非凸効率最大化問題の定常解に収束し、強固さと有効性を示した。
• シミュレーション結果により、軌道と電力の共同最適化が、ベンチマーク手法に比べてシステム効率を顕著に向上させた。
• レーザー充電の導入により、UAVの飛行時間と持続的な中継が可能になり、バッテリーのみの運用に起因する制限を克服した。
• PDDベースのアルゴリズムは、標準的なAOに比べて収束安定性と解の品質が優れており、特に高移動度のシナリオで顕著であった。
• CCCPアプローチは、効率的な分解と反復的改善を可能とし、低い計算負荷でほぼ最適性能を達成した。
• 共同最適化により、レーザー充電下でエネルギー効率が顕著に向上し、シミュレーションで最大40％の向上が達成された。