[論文レビュー] UAV-Enabled Wireless Power Transfer: Trajectory Design and Energy Optimization

Jie Xu, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 23被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、ドローンが最適な軌道を最適化することで、地上受信機へのエネルギー送達を最大化するUAV駆動無線電力伝送（WPT）システムを提案する。ドローンは最適な位置で滞在するか、連続する滞在・移動パターンを採用する軌道設計を導入し、固定またはランダムな軌道と比較して、特に移動制約下でも高いエネルギー公平性と効率性を達成する。

ABSTRACT

This paper studies a new unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) system, where a UAV-mounted mobile energy transmitter (ET) is dispatched to deliver wireless energy to a set of on-ground energy receivers (ERs). We investigate how the UAV should optimally exploit its mobility via trajectory design to maximize the energy transferred to all ERs during a finite period. First, we consider the maximization of the sum energy received by all ERs by optimizing the UAV's trajectory subject to its maximum speed constraint. We obtain its optimal solution, which shows that the UAV should hover at one single fixed location during the whole period. However, the sum-energy maximization incurs a "near-far" fairness issue. To overcome this issue, we consider a different problem to maximize the minimum received energy among all ERs. We first consider an ideal case by ignoring the UAV's maximum speed constraint, and show that the relaxed problem can be optimally solved via the Lagrange dual method. Then, for the general case with the UAV's maximum speed constraint considered, we propose a new successive hover-and-fly trajectory motivated by the optimal trajectory in the ideal case, and obtain efficient trajectory designs by applying the successive convex programing (SCP).

研究の動機と目的

• 長距離による経路損失の影響を受ける従来の固定位置WPTシステムにおける低効率なエネルギー伝送の課題に対処する。
• 合計エネルギー最大化における「近−遠」公平性問題（遠方の受信機が著しく少ないエネルギーを受信する）を克服する。
• すべての地上エネルギー受信機（ER）のうち最小受信エネルギーを最大化するように最適なUAV軌道を設計し、公平性を確保する。
• UAVの移動制約（最大速度など）を考慮した軌道最適化を行う。
• 実用的導入を念頭に、逐次凸プログラミング（SCP）を用いた効率的な軌道設計を構築する。

提案手法

• すべてのERのうち最小エネルギー受信量を最大化するように軌道最適化問題を定式化し、全受信機間の公平性を確保する。
• 速度制約なしの理想状態では、ラグランジュ双対性を用いて、UAVが複数の固定位置で最適時間配分で滞在する最適解を導出する。
• 速度制約がある一般ケースに対しては、理想解を基盤として、逐次的滞在・移動軌道を提案する。
• 速度制約および軌道制約下で非凸最適化問題を反復的に近似・解くために、逐次凸プログラミング（SCP）を適用する。
• 一次テイラー近似を用いて非凸エネルギー関数を凸化し、効率的な数値最適化を可能にする。
• 最適化の簡略化と対称的に配置されたERへの等しいエネルギー供給を確保するため、軌道の対称性を強制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 速度制約下で、複数の地上ERにエネルギーを効率的に送達するため、UAVの軌道をどのように最適化できるか？
• RQ2 合計エネルギーではなく、最小受信エネルギーを最大化するという公平性を最優先とした場合、最適な軌道構造は何か？
• RQ3 速度制約が存在しない場合、最適軌道はどのように変化し、実用的設計にどのようなインサイトを提供するか？
• RQ4 実際のUAV移動制約下でも、逐次的滞在・移動軌道は近似的に最適性能を達成できるか？
• RQ5 提案された軌道設計は、ベンチマーク手法と比較して、エネルギー公平性および合計エネルギー送達においてどの程度優れているか？

主な発見

• 速度制約下での合計エネルギー最大化のための最適軌道は、UAVが全充電期間中に1か所の固定位置で滞在し続けることである。
• 最小受信エネルギーを最大化する場合、理想状態（速度制限なし）では、UAVが複数の固定点で最適時間配分で滞在する解が最適である。
• 実用的状況（速度制約あり）では、最適点での滞在と高速移動を組み合わせた提案された逐次的滞在・移動軌道が、近似的に最適性能を達成する。
• 数値結果から、提案された軌道設計は、合計エネルギー送達および公平性指標の両面で、ベンチマーク手法を顕著に上回ることが示された。
• ER間の距離が $ 2H/√{3} $ を超える場合、特に性能向上が顕著であり、このとき最適滞在点は非ゼロかつ対称的となる。
• 逐次凸プログラミング（SCP）を用いることで、非凸制約下でも効率的かつ安定した収束が実現され、高品質な解が得られる。