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

Jie Xu, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、ドローンが最適な軌道を設計することで、2つの地上受信機への無線電力伝送を最大化するUAV搭載無線電力伝送（WPT）システムを提案する。受信機が近接している場合、それらの間の上空で滞空することでエネルギー伝送が最適化される。一方、受信機が離れている場合には、ホバーフライトホバーパatters（ホバーフライトホバーパターン）が最適となり、特に高速移動時や長時間の充電条件下で、効率性と公平性が顕著に向上する。

ABSTRACT

This paper studies a new unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) system, where a UAV-mounted energy transmitter (ET) broadcasts wireless energy to charge distributed energy receivers (ERs) on the ground. In particular, we consider a basic two-user scenario, and investigate how the UAV can optimally exploit its mobility to maximize the amount of energy transferred to the two ERs during a given charging period. We characterize the achievable energy region of the two ERs, by optimizing the UAV's trajectory subject to a maximum speed constraint. We show that when the distance between the two ERs is smaller than a certain threshold, the boundary of the energy region is achieved when the UAV hovers above a fixed location between them for all time; while when their distance is larger than the threshold, to achieve the boundary of the energy region, the UAV in general needs to hover and fly between two different locations above the line connecting them. Numerical results show that the optimized UAV trajectory can significantly improve the WPT efficiency and fairness of the two ERs, especially when the UAV's maximum speed is large and/or the charging duration is long.

研究の動機と目的

• 固定エミッタ（ET）システムにおける低効率なWPTと限られたカバレッジの課題を、UAVの移動性を活用することで解決すること。
• UAVの軌道制約下で、2つの地上受信機（ER）の達成可能なエネルギー領域を同定すること。
• 全伝送エネルギーを最大化するとともにER間の公平性を確保するため、UAVの軌道を最適化すること。
• 2つのERのエネルギー領域のパレート境界に到達するための条件を導出すること。

提案手法

• 公平性制約下で全エネルギー伝送量を最大化するためのエネルギープロファイル技術を用いる。
• 速度制限を一時的に無視した後に、効率的なアルゴリズムを用いて速度制限を組み込むことで、軌道最適化問題を解く。
• 受信機間の距離と高度に応じた最適UAV位置の解析的条件を導出する。
• 変分法および一次最適性条件を用いて、エネルギー伝送関数を分析する。
• 公平性を確保するための対称的軌道設計を提案し、必要に応じて2つの滞空ポイント間の時間共有を実施する。
• 数値シミュレーションにより、高速移動時や長時間の充電条件下での性能向上を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAVの軌道は、WPTシステムにおける2つの地上ERのエネルギー領域にどのように影響を与えるか？
• RQ2 2つのERの間でホバリングすることが、エネルギー伝送を最大化するために最適となる条件は何か？
• RQ3 ERが離れている場合、エネルギー領域のパレート境界に到達するための軌道戦略は何か？
• RQ4 UAVの最大速度制限は、最適な軌道設計にどのように影響を与えるか？
• RQ5 UAV搭載WPTにおいて、エネルギーの公平性と全エネルギー伝送量のトレードオフは何か？

主な発見

• 2つのER間の距離が $ 2H / √{3} $ 以下である場合、最適な軌道はそれらの間の固定点の上空で安定してホバリングすることである。
• 2つのER間の距離が $ 2H / √{3} $ を超える場合、最適な軌道は2つの異なる滞空ポイントを往復するホバーフライトホバーパターンである。
• 受信機が離れている場合、2つの対称的滞空位置間の時間共有により、UAVはエネルギー領域のパレート境界に到達する。
• UAVが2つのERの間にホバリングしている間、エネルギー領域は凸となる。これは、エネルギー配分における最適なトレードオフを示している。
• 数値結果から、特にUAVの速度が高く、または充電時間が長い条件下で、WPTの効率性と公平性が顕著に向上することが示された。
• 提案された軌道設計は、固定ETシステムに比べ、必要なET密度を低減し、カバレッジを向上させる点で優れている。