[論文レビュー] Energy Trade-off in Ground-to-UAV Communication via Trajectory Design

Dingcheng Yang, Qingqing Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、地上局（GT）と無人航空機（UAV）の間の地上からUAVへの通信システムにおいて、UAVの飛行経路設計がGT上行伝送エネルギーとUAV推進エネルギーのトレードオフをどのように影響するかを調査する。円形飛行および直線飛行経路に対して、最適なGT送信パワーとUAV速度の閉形式表現を導出し、パレート最適なトレードオフを明らかにする。UAVエネルギー消費量が18 kJから40 kJに増加する際、回路パワーが低い（10 mW）状況では、GTエネルギー消費量が最大3〜4倍まで削減される。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have a great potential for improving the performance of wireless communication systems due to their wide coverage and high mobility. In this paper, we study a UAV-enabled data collection system, where a UAV is dispatched to collect a given amount of data from a ground terminals (GT) at fixed location. Intuitively, if the UAV flies closer to the GT, the uplink transmission energy of the GT required to send the target data can be more reduced. However, such UAV movement may consume more propulsion energy of the UAV, which needs to be properly controlled to save its limited on-board energy. As a result, the transmission energy reduction of the GT is generally at the cost of higher propulsion energy consumption of the UAV, which leads to a new fundamental energy trade-off in Ground-to-UAV (G2U) wireless communication. To characterize this trade-off, we consider two practical UAV trajectories, namely circular flight and straight flight. In each case, we first derive the energy consumption expressions of the UAV and GT, and then find the optimal GT transmit power and UAV trajectory that achieve different Pareto optimal trade-off between them. Numerical results are provided to corroborate our study.

研究の動機と目的

• 地上からUAV（G2U）通信システムにおける、GTとUAVの間の基本的エネルギートレードオフを解決すること。ここで、GT送信エネルギーの低減はUAV推進エネルギーの増加を伴う。
• 実用的な飛行パターンとしての円形飛行および直線飛行の2通りに対して、GT送信パワーとUAV飛行経路を共同最適化することで、このトレードオフを特徴づけること。
• GTとUAVのエネルギー消費量のパレート最適なトレードオフを達成する最適なGT送信パワーとUAV速度の閉形式表現を導出すること。
• GTの通信エネルギー（送信および回路パワー）とUAVの推進エネルギーを両方とも考慮し、UAVシステムにおける現実のエネルギー制約を反映すること。
• データ量や回路パワーの変動に応じた飛行経路および速度選択がエネルギートレードオフに与える影響を数値的に検証すること。

提案手法

• GTとUAV間の距離に依存するパスロスを考慮した視線（LoS）パスロスモデルを用いてG2Uチャネルをモデル化し、チャネルゲインが距離の二乗に反比例することを仮定する。
• 固定翼UAVの空気力学的特性に基づいて導出された係数を用いて、飛行速度と経路形状に依存する物理ベースのUAV推進エネルギー消費モデルを定式化する。
• GT通信エネルギーを、送信パワーとデータレートに依存する送信エネルギーと、アクティブ送信時において一定の回路エネルギーの和として表現する。データレートはシャノン容量によって制約される。
• 速度変数に関する2次方程式に基づき、同じUAVエネルギー消費量を達成するが異なるGTエネルギー消費量をもたらす2つのUAV速度（V₁およびV₂）の閉形式解を導出する。
• 必要なデータレートとGT送信パワーを関連付けるための逆関数G⁻¹を用い、パレート最適なエネルギーペアの解析的導出を可能にする。
• 2つの候補解（E₁,₁およびE₁,₂）からなる2つのUAV速度に対応するGTエネルギー消費量を比較し、与えられたUAVエネルギー予算のもとでGTエネルギーを最小化する方を選択することで、最適なGTエネルギー消費量を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVの飛行経路設計は、G2U通信システムにおけるGT上行伝送エネルギーとUAV推進エネルギーのトレードオフにどのように影響するか？
• RQ2 円形および直線飛行経路における、パレート最適なエネルギートレードオフを達成する最適なGT送信パワーとUAV飛行速度は何か？
• RQ3 GTの回路パワーは、エネルギートレードオフ曲線の形状および特性にどのように影響するか？
• RQ4 データサイズ（Q）が直線飛行シナリオにおける最適UAV速度およびエネルギートレードオフに与える影響は何か？
• RQ5 異なるUAV飛行速度（V₁およびV₂）は、どのように異なるパレート最適点をもたらし、GTパワー消費の異なる領域においてどの速度が最適か？

主な発見

• 円形飛行では、GT回路パワーが低い（10 mW）状況で、UAVエネルギー消費量を18 kJから40 kJに増加させると、GTエネルギー消費量が約3〜4倍まで削減される。これは強いエネルギートレードオフを示している。
• GT回路パワーが50 mWの場合、トレードオフはやや顕著でないが、UAVエネルギー消費量は依然として飛行経路最適化を通じてGTエネルギーの節約に顕著な影響を及ぼす。
• 直線飛行では、小規模なデータ負荷（30 Mb）の場合、高速度飛行（V₁）がパレート最適境界に達する。これは、伝送時間を短縮することでGTの回路エネルギー消費量を削減するためである。
• 大規模なデータ負荷（100 Mb）では、低速度飛行（V₂）が最適である。これはGT送信エネルギーが支配的であり、長時間の伝送により低い送信パワーが達成可能であるためである。
• 同じUAVエネルギー消費量を達成する2つのUAV速度（V₁およびV₂）は、異なるGTエネルギー消費レベルをもたらし、最適な選択はGT送信パワーと回路パワーの相対的な大きさに依存する。
• 数値結果により、導出された最適GT送信パワーおよびUAV速度の閉形式解がパレート最適なエネルギートレードオフを達成することが確認され、円形および直線飛行の両ケースに対して明示的な式が導出された。