[論文レビュー] Optimal 1D Trajectory Design for UAV-Enabled Multiuser Wireless Power Transfer

Yulin Hu, Xiaopeng Yuan+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、最大速度制約下で地上ノード間の受信エネルギーの最小値を最大化する、UAVを用いたマルチユーザー無線電力伝送における最初のグローバル最適1次元軌道設計を提示する。速度制約付き軌道を最大速度成分と速度自由成分に分解し、ラグランジュ双対性を用いることで、有限個のホーバー点と最適化された滞在時間を持つ逐次ホーバー・アンド・フライ（SHF）構造をとることが示され、従来のヒューリスティック手法を著しく上回る性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we study an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) network, where a UAV flies at a constant altitude in the sky to provide wireless energy supply for a set of ground nodes with a linear topology. Our objective is to maximize the minimum received energy among all ground nodes by optimizing the UAV's one-dimensional (1D) trajectory, subject to the maximum UAV flying speed constraint. Different from previous works that only provided heuristic and locally optimal solutions, this paper is the first work to present the globally optimal 1D UAV trajectory solution to the considered min-energy maximization problem. Towards this end, we first show that for any given speed-constrained UAV trajectory, we can always construct a maximum-speed trajectory and a speed-free trajectory, such that their combination can achieve the same received energy at all these ground nodes. Next, we transform the original UAV-speed-constrained trajectory optimization problem into an equivalent UAV-speed-free problem, which is then optimally solved via the Lagrange dual method. The obtained optimal 1D UAV trajectory solution follows the so-called successive hover-and-fly (SHF) structure, i.e., the UAV successively hovers at a finite number of hovering points each for an optimized hovering duration, and flies among these hovering points at the maximum speed. Numerical results show that our proposed optimal solution significantly outperforms the benchmark schemes in prior works under different scenarios.

研究の動機と目的

• 速度制約下におけるUAVを用いたマルチユーザー無線電力伝送におけるグローバル最適解の欠如に対処すること。
• 直線的トポロジー下で地上ノード間の受信エネルギーの最小値を最大化すること。
• 実用的な移動制約下における最適1次元UAV軌道の構造的性質を同定すること。
• 先行研究におけるヒューリスティック手法や局所最適解の限界を克服すること。
• エネルギー公平性を重視するWPTシステムにおける最適UAV軌道設計の理論的基盤を確立すること。

提案手法

• 任意の速度制約付き1次元UAV軌道を最大速度軌道と速度自由軌道に分解する新しい手法を提案する。
• これらの2つの軌道の組み合わせによるWPT性能が、元の速度制約付き軌道と一致することを証明する。
• 軌道分解を用いて、元の速度制約付き最適化問題を等価な速度自由問題に変換する。
• ラグランジュ双対法を適用して、等価な速度自由問題を最適に解く。
• 最適軌道を、有限個のホーバー点と最適化された滞在時間を有する逐次ホーバー・アンド・フライ（SHF）構造として導出する。
• 最適解におけるホーバー点数の上界を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 速度制約下で、マルチユーザーWPTシステムにおける受信エネルギーの最小値を最大化するための、グローバル最適1次元UAV軌道は何か？
• RQ2 速度制約付き軌道最適化問題は、最適解を得るために等価に速度自由問題に変換可能か？
• RQ3 ホーバーと飛行フェーズの観点から、最適UAV軌道の構造的性質は何か？
• RQ4 提案手法は、先行研究におけるヒューリスティックおよび局所最適アプローチと比べてどのように優れているか？
• RQ5 最適軌道解におけるホーバー点の最大数は何か？

主な発見

• 最適1次元UAV軌道は、有限個の点で最適化された滞在時間を持つ逐次ホーバー・アンド・フライ（SHF）構造をとる。UAVはこれらの点でホーバーし、それらの間を最大速度で飛行する。
• 最適軌道におけるホーバー点の数は上界によって制限されており、効率的な探索と設計が可能である。
• 全テストシナリオにおいて、提案手法はベンチマーク手法と比較して著しく高い最小受信エネルギーを達成する。
• 最大速度成分と速度自由成分への軌道分解により、WPT性能が正確に等価に保たれ、双対性を用いた最適解法が可能になる。
• 本稿では、速度制約付きのこのクラスのUAVを用いたWPT問題について、初めてグローバル最適解が導出された。
• 数値結果により、提案された最適アルゴリズムが、エネルギー公平性およびシステム性能の観点で、ヒューリスティックおよび局所最適手法を上回ることが確認された。