[論文レビュー] Energy Efficient UAV Communication with Energy Harvesting

Zhaohui Yang, Wei Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 48被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、エネルギー効率の高い無人航空機（UAV）通信システムを提案し、ロータリープロペラ型UAVが複数のユーザーに無線エネルギーを送信することで、上行リンクデータ伝送を実現する。逐次凸近似と双対分解を用いて、UAVの飛行経路、ユーザーのスケジューリング、時間／電力割り当てを共同最適化することで、データレート制約を満たしつつ総消費エネルギーを最小化し、シミュレーションで顕著なエネルギー削減を達成した。

ABSTRACT

This paper investigates an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless communication system with energy harvesting, where the UAV transfers energy to the users in half duplex or full duplex, and the users harvest energy for data transmission to the UAV. We minimize the total energy consumption of the UAV while accomplishing the minimal data transmission requests of the users. The original optimization problem is decomposed into two subproblems: path planning subproblem and energy minimization subproblem with fixed path planning. For path planning subproblem, the optimal visiting order is obtained by using the dual method and the trajectory is optimized via the successive convex approximation technique. For energy minimization subproblem with fixed path planning, we firstly obtain the optimal portion of data transmission time within the entire procedure and the optimal transmission power of each user. Then, the the energy minimization subproblem is greatly simplified and it is efficiently solved via a one-dimensional search method. Simulation results are illustrated to verify the theoretical findings.

研究の動機と目的

• エネルギー回収を伴うUAVによる無線ネットワークにおける総消費エネルギーの最小化という課題に対処する。
• 複数ユーザー環境におけるエネルギー効率の向上を目的に、UAVの飛行経路とユーザーのスケジューリングを最適化する。
• 従来の固定翼型UAVや単一ユーザー系の研究とは異なり、ロータリープロペラ型UAVでは推進エネルギーが支配的であることを考慮する。
• すべてのユーザーが最低限のデータレート要件を満たすようにしつつ、UAVのエネルギー消費を最小化する。
• 問題を経路計画とエネルギー最小化のサブ問題に分解できる、取り扱いやすい最適化フレームワークを構築する。

提案手法

• 混合整数非凸最適化問題として総エネルギー最小化問題を定式化し、経路計画とエネルギー最小化のサブ問題に分解する。
• 経路計画サブ問題は双対法を用いて解き、ユーザーの最適訪問順序を特定する。
• 順次凸近似（SCA）を用いて、固定されたユーザー順序のもとでのUAVの飛行経路を最適化する。
• エネルギー最小化サブ問題に対しては、解析的最適化により最適なデータ送信時間とユーザー電力割り当てを導出する。
• 1次元探索を用いてエネルギー最小化問題を簡略化し、最適解を効率的に計算する。
• ユーザーのデータレート制約、エネルギー回収、UAVの推進エネルギーを統合した最適化フレームワークを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数ユーザーのエネルギー回収を伴うシステムにおいて、UAVの飛行経路とユーザーのスケジューリングをどのように共同最適化すれば、総消費エネルギーを最小化できるか？
• RQ2 データレート要件を満たしつつUAVのエネルギー消費を最小化するための、各ユーザーに対する送信時間と電力の最適割り当ては何か？
• RQ3 最適化モデルに推進エネルギーを組み込むことで、それを無視する従来の研究と比較して、システム性能にどのような影響が生じるか？
• RQ4 全二重モードと半二重モードの運用が、UAVを用いたエネルギー回収ネットワークにおけるエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ5 提案された共同最適化フレームワークは、従来の手法と比較して、エネルギー削減効果とスケーラビリティの面でどのように優れているか？

主な発見

• 提案されたUAVの飛行経路、ユーザーのスケジューリング、時間／電力割り当ての共同最適化により、従来の手法と比較して総消費エネルギーが顕著に削減された。
• 逐次凸近似（SCA）の使用により、非凸な飛行経路最適化問題を効率的かつ近似的最適に解くことが可能になった。
• 1次元探索法により、最適な時間と電力割り当てが解析的に導出された後、エネルギー最小化サブ問題が効果的に解かれた。
• シミュレーション結果から、特に高いデータレート要件が課される状況で、提案アルゴリズムが顕著なエネルギー削減を達成することが確認された。
• 最適なユーザー訪問順序は双対分解により特定され、冗長な飛行経路を最小化することで、システム効率が向上した。
• フレームワークは推進エネルギーを支配的エネルギー要因として扱っており、従来のモデルと比較してロータリープロペラ型UAVに実用的で現実的である。