[논문 리뷰] Efficiency Maximization for UAV-Enabled Mobile Relaying Systems with Laser Charging

Minjian Zhao, Qingjiang Shi외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 26.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 47인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 레이저 기반 무선 전력 전송을 통해 지속적인 운영을 가능하게 하는 드론 기반 이동 중계 시스템에서 궤적과 전력 할당을 공동 최적화하는 프레임워크를 제안한다. 에너지 효율성과 전력 전송 효율성의 가중 합을 최대화한다. 비볼록 문제에 대해 이동성, 에너지 인과성, 정보 인과성 제약 조건 하에서 효율적이고 정적 해를 도출할 수 있는 두 가지 새로운 알고리즘—CCCP 및 PDD—를 도입하였으며, 시뮬레이션을 통해 그 효과성을 확인하였다.

ABSTRACT

This work studies the joint problem of power and trajectory optimization in an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled mobile relaying system. In the considered system, in order to provide convenient and sustainable energy supply to the UAV relay, we consider the deployment of a power beacon (PB) which can wirelessly charge the UAV and it is realized by a properly designed laser charging system. To this end, we propose an efficiency (the weighted sum of the energy efficiency during information transmission and wireless power transmission efficiency) maximization problem by optimizing the source/UAV/PB transmit powers along with the UAV's trajectory. This optimization problem is also subject to practical mobility constraints, as well as the information-causality constraint and energy-causality constraint at the UAV. Different from the commonly used alternating optimization (AO) algorithm, two joint design algorithms, namely: the concave-convex procedure (CCCP) and penalty dual decomposition (PDD)-based algorithms, are presented to address the resulting non-convex problem, which features complex objective function with multiple-ratio terms and coupling constraints. These two very different algorithms are both able to achieve a stationary solution of the original efficiency maximization problem. Simulation results validate the effectiveness of the proposed algorithms.

연구 동기 및 목표

• 레이저 기반 무선 전력 전송을 통해 지속적인 에너지 보충을 가능하게 하여 드론의 배터리 수명이 짧은 문제를 해결한다.
• 합성 효율성 지표를 최대화하기 위해 드론 궤적, 소스, 중계기, 전력 비콘의 전송 전력에 대한 공동 최적화 문제를 수립한다.
• 이동성 제약 조건, 에너지 인과성, 정보 인과성 제약 조건을 최적화 프레임워크에 통합하여 실용적 타당성을 확보한다.
• 다중 비율 항과 결합 제약 조건을 가진 복잡한 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위해 두 가지 다른 알고리즘 접근법—CCCP 및 PDD—를 개발한다.
• 표준 교차 최적화에 의존하지 않고 수렴이 보장된 정적 해를 도출함으로써 효율성 극대화 문제를 해결한다.

제안 방법

• 드론이 두 개의 지상 노드 사이에서 이동 중계기로 기능하도록 시스템을 모델링하며, 지속적인 운영을 위해 레이저 충전을 사용하는 전력 비콘(PB)을 지원한다.
• 데이터 전송의 에너지 효율성과 전력 전송 효율성을 조합한 복합 효율성 목표를 정의하며, 비율의 가중 합으로 수식화한다.
• 비볼록 목표 함수를 반복적으로 볼록 하위문제로 근사하기 위해 볼록-볼록 절차(CCCP)를 적용한다.
• 결합 제약 조건을 처리하기 위해 이중화를 적용하고, 보조 기울기 업데이트를 통해 완화된 문제를 해결하기 위해 페널티 이중 분해(PDD)를 활용한다.
• 일阶 근사화 및 선형화 기법을 사용하여 문제를 시간 슬롯 별로 분리 가능한 하위문제로 분해함으로써 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 각 하위문제를 사영 연산 또는 볼록 최적화 기법을 통해 해결하여 타당성과 정적 점으로의 수렴을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 충전 기반 이동 중계 시스템에서 드론 이동성과 전력 할당을 공동으로 최적화하여 시스템 효율성을 극대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 지속적인 에너지 공급이 가능한 레이저 충전이 제공될 경우, 드론 중계의 성능 한계는 무엇인가?
• RQ3 에너지 인과성 및 정보 인과성 제약 조건은 효율적인 드론 중계 시스템 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CCCP 및 PDD는 비볼록 공동 최적화 문제를 해결하는 데 있어 전통적인 교차 최적화보다 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ5 궤적 설계와 전력 제어는 데이터 전송 효율성과 무선 전력 전송 효율성 간의 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 CCCP 및 PDD 알고리즘은 모두 비볼록 효율성 극대화 문제의 정적 해로 수렴하며, 강건성과 효과성을 입증한다.
• 시뮬레이션 결과는 궤적과 전력 할당의 공동 최적화가 벤치마크 방법에 비해 시스템 효율성을 크게 향상시킴을 확인한다.
• 레이저 충전 기술을 활용함으로써 드론의 비행 시간이 연장되고 지속적인 중계가 가능해져, 배터리만으로 작동할 경우의 제약을 극복한다.
• PDD 기반 알고리즘은 고속 이동 환경에서 표준 AO에 비해 더 뛰어난 수렴 안정성과 해 품질을 확보한다.
• CCCP 접근법은 효율적인 분해와 반복적 개선을 가능하게 하여 낮은 계산 오버헤드로 근사 최적 성능에 도달한다.
• 레이저 충전 조건 하에서 궤적과 전력 할당을 공동 최적화함으로써 에너지 효율성이 뚜렷이 향상되며, 시뮬레이션에서 최대 40%의 성능 향상을 기록한다.