[論文レビュー] Energy Minimization for Wireless Communication with Rotary-Wing UAV

Yong Zeng, Jie Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 24被引用数 75

ひとこと要約

本論文は、推進エネルギーと通信エネルギーをモデル化し、推進最適化とジョイント軌道・スケジューリング最適化を定式化し、fly-hover-communicate および経路離散化法で解くことで rotary-wing UAV を用いた無線通信のエネルギー最小化フレームワークを開発する。

ABSTRACT

This paper studies unmanned aerial vehicle (UAV) enabled wireless communication, where a rotarywing UAV is dispatched to send/collect data to/from multiple ground nodes (GNs). We aim to minimize the total UAV energy consumption, including both propulsion energy and communication related energy, while satisfying the communication throughput requirement of each GN. To this end, we first derive an analytical propulsion power consumption model for rotary-wing UAVs, and then formulate the energy minimization problem by jointly optimizing the UAV trajectory and communication time allocation among GNs, as well as the total mission completion time. The problem is difficult to be optimally solved, as it is non-convex and involves infinitely many variables over time. To tackle this problem, we first consider the simple fly-hover-communicate design, where the UAV successively visits a set of hovering locations and communicates with one corresponding GN when hovering at each location. For this design, we propose an efficient algorithm to optimize the hovering locations and durations, as well as the flying trajectory connecting these hovering locations, by leveraging the travelling salesman problem (TSP) and convex optimization techniques. Next, we consider the general case where the UAV communicates also when flying. We propose a new path discretization method to transform the original problem into a discretized equivalent with a finite number of optimization variables, for which we obtain a locally optimal solution by applying the successive convex approximation (SCA) technique. Numerical results show the significant performance gains of the proposed designs over benchmark schemes, in achieving energy-efficient communication with rotary-wing UAVs.

研究の動機と目的

• 推進エネルギーと通信エネルギーを含む総UAVエネルギー消費を最小化する。
• 各地上ノードが所望情報スループットを達成することを保証する。
• ロータリ-翼 UAV における飛行エネルギーとホバリング/通信エネルギーのトレードオフを理解する。
• 単純な場合と一般的な UAV 通信プロトコルの両方に対して扱いやすい解法アプローチを探る。
• ロータリ-翼のダイナミクスを伴う TDMA の下でエネルギー効率の良い軌道設計に関する知見とアルゴリズムを提供する。

提案手法

• ロータリ-翼 UAV のブレードプロファイル、誘導、寄生電力成分を捉える解析的な推進電力モデルを導出する。
• スループット制約を有する軌道、時間配分、ミッション時間に渡る非凸のエネルギー最小化問題(P1)を定式化する。
• fly-hover-communicate プロトコルを用いて(P1)を有限変数問題に低減し、巡回セールスマン問題(TSP)ベースの順序付けと凸最適化で解く。
• 時間連続問題を逐次凸近似(SCA)に適した有限変数形に変換する経路離散化手法を導入する。
• KKT条件を満たす局所最適解へ収束することを示す。
• 単一GN場合および複数GNケースに対する漸近的・ヒューリスティックな洞察を、MR/MÉ定数と最適移動速度を含めて提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のGNのスループット要件を満たしつつ、総UAVエネルギー（推進＋通信）をどう最小化するか？
• RQ2 ロータリ-翼の推進ダイナミクスの下でエネルギー最適化を図るUAVの軌道とTDMAスケジューリングの効率的なアルゴリズムは何か？
• RQ3 fly-hover-communicateおよび経路離散化アプローチを用いて、扱いやすく近似最適解を得るにはどうするか？
• RQ4 データ収集/リレーシナリオにおける移動エネルギーとホバリング/通信エネルギーのトレードオフはどうなるか？
• RQ5 複数GN設定における訪問順序とホバリング地点が総エネルギー消費に与える影響はどうなるか？

主な発見

• ロータリ-翼 UAV の推進エネルギーはブレードプロファイル、誘導、寄生成分からなり、ホバリングが常に最もエネルギー効率が良いとは限らない。
• 単一GNの場合、最適なホバーポイントへの移動と伝送のためのホバリングとの間に最適バランスが存在し、それはMR速度と一維のD_trトレードオフによって決まる。
• 複数GNの場合、適切なホバーポイントと訪問順序を選択することでエネルギーを最小化でき、ウェイポイント配置を凸最適化するTSP様の問題へ縮退する。
• SCAを用いた経路離散化アプローチにより、ミッション時間を事前に指定することなく一般の(P1)問題に局所最適解を与える。
• 数値結果は、提案されたfly-hover-communicateおよび経路離散化設計がベンチマークよりも大幅なエネルギー節約を示す。