[論文レビュー] Throughput Maximization for Laser-Powered UAV Wireless Communication Systems

Jie Ouyang, Yueling Che+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 6被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、エネルギー回収制約のもとでダウンリンクスループットを最大化するため、レーザー駆動ドローンの共同軌道および電力割り当て最適化を提案する。二重円形軌道を用いた交互最適化と逐次凸プログラミングを活用することで、ベンチマーク比に比べ顕著なスペクトル効率の向上を達成し、飛行時間が延長されるに従いスループットが著しく向上する。

ABSTRACT

Laser power has become a viable solution to provide convenient and sustainable energy supply to unmanned aerial vehicles (UAVs). In this paper, we study a laser-powered UAV wireless communication system, where a laser transmitter sends laser beams to charge a fixed-wing UAV in flight, and the UAV uses the harvested laser energy to communicate with a ground station. To maintain the UAV's sustainable operation, its total energy consumption cannot exceed that harvested from the laser transmitter. Under such a laser energy harvesting constraint, we maximize the downlink communication throughput from the UAV to the ground station over a finite time duration, by jointly optimizing the UAV's trajectory and its transmit power allocation. However, due to the complicated UAV energy consumption model, this problem is non-convex and difficult to be solved. To tackle the problem, we first consider a special case with a double-circular UAV trajectory which balances the tradeoff between maximizing the performance of laser energy harvesting versus wireless communication at the UAV. Next, based on the obtained double-circular trajectory, we propose an efficient solution to the general problem, by applying the techniques of alternating optimization and sequential convex programming (SCP). Finally, numerical results are provided to validate the communication throughput performance of the proposed design.

研究の動機と目的

• レーザー駆動のエネルギー回収を用いて長時間にわたるドローン通信を実現する課題に対処する。
• エネルギー回収、速度、加速度制約のもとでダウンリンクスループットを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 効率的なレーザーエネルギー回収と高品質な無線通信のトレードオフを、ドローンの軌道と送信電力を共同で最適化することでバランスを取る。
• 交互最適化と逐次凸プログラミング（SCP）を用いて一般ケースに対する効率的な解法を開発する。

提案手法

• ドローンがレーザー送信機および地上局の上空で二つの円を飛行する特殊ケースとして、二重円形軌道を導入し、エネルギー回収と通信性能のバランスを取る。
• エネルギー回収制約のもとで、各円形経路におけるドローンの速度と半径を最適化し、スループットを最大化する。
• 交互最適化を適用し、一方を固定した状態で他方を最適化することで、ドローンの軌道と送信電力割り当てを繰り返し改善する。
• 非凸部分問題を近似・解法するために逐次凸プログラミング（SCP）を用い、高品質な解への収束を可能にする。
• アルゴリズムの初期化として、二重円形軌道と等価な電力割り当てを採用し、妥当で効果的な収束を保証する。
• 速度、加速度、飛行経路ダイナミクスに基づいて、推進および通信を含むドローンの複雑なエネルギー消費をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、レーザーエネルギー回収制約のもとでドローンの軌道と送信電力を共同最適化し、ダウンリンクスループットを最大化できるか？
• RQ2 どのような軌道形状（例：二重円形）が、レーザー駆動ドローンシステムにおいてエネルギー回収と通信品質のバランスを最良にとれるか？
• RQ3 レーザー送信電力が増加すると、最適なドローン飛行戦略とシステムスループットにどのような影響を与えるか？
• RQ4 スペクトル効率の観点から、共同軌道および電力最適化は、固定軌道ベンチマークをどの程度上回るか？

主な発見

• 提案された共同最適化アルゴリズムは、等価電力割り当てを伴う二重円形軌道および単一円形軌道の両方を上回るダウンリンク合計スループットを達成する。
• レーザー送信電力が600 Wの場合、提案手法は特に飛行時間が延長されるに従い、二重円形ベンチマークを上回るスループットを達成する。
• レーザー電力が1200 Wに達すると、ドローンの最適軌道は地上局上空の単一円形パスに移行し、高出力のレーザービームでは二段階飛行の必要性が低下することが示された。
• ドローンの軌道は動的に適応する：高出力のレーザーでは、エネルギー回収を増やすために送信機に近づき、その後地上局上空でホバリングして強い通信リンクを維持する。
• スループットは飛行時間Tに従い増加し、提案手法はベンチマークと比較してより急峻な増加率を示し、共同最適化の有効性を裏付けた。
• 二重円形軌道設計により、エネルギー回収と通信の良好なトレードオフが実現され、ドローンは送信機側の円では26.43 m/s、地上局側では17.11 m/sを維持することで、エネルギーとデータレートのバランスを取っている。