[논문 리뷰] Energy Efficient UAV Communication with Energy Harvesting

Zhaohui Yang, Wei Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 01.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 48인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 기능을 갖춘 에너지 효율적인 무인 항공기(UAV) 통신 시스템을 제안한다. 이 시스템은 회전익 무인 항공기(UAV)가 여러 사용자에게 무선 에너지를 전송하여 업링크 데이터 전송을 수행한다. 성공적 볼록 근사법과 이중 분해를 통해 UAV의 비행 경로, 사용자 스케줄링, 시간/전력 할당을 공동 최적화함으로써, 데이터 전송 속도 제약 조건을 충족시키면서 총 에너지 소비를 최소화한다. 시뮬레이션 결과, 상당한 에너지 절감 효과를 입증하였다.

ABSTRACT

This paper investigates an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless communication system with energy harvesting, where the UAV transfers energy to the users in half duplex or full duplex, and the users harvest energy for data transmission to the UAV. We minimize the total energy consumption of the UAV while accomplishing the minimal data transmission requests of the users. The original optimization problem is decomposed into two subproblems: path planning subproblem and energy minimization subproblem with fixed path planning. For path planning subproblem, the optimal visiting order is obtained by using the dual method and the trajectory is optimized via the successive convex approximation technique. For energy minimization subproblem with fixed path planning, we firstly obtain the optimal portion of data transmission time within the entire procedure and the optimal transmission power of each user. Then, the the energy minimization subproblem is greatly simplified and it is efficiently solved via a one-dimensional search method. Simulation results are illustrated to verify the theoretical findings.

연구 동기 및 목표

• 에너지 수확 기능을 갖춘 UAV 기반 무선 네트워크에서 총 에너지 소비를 최소화하는 문제에 대응한다.
• 다중 사용자 환경에서 에너지 효율성을 향상시키기 위해 UAV 비행 경로와 사용자 스케줄링을 최적화한다.
• 이전 연구가 고정익 UAV나 단일 사용자 시스템에 집중한 것과는 달리, 회전익 UAV에서 추진 에너지가 지배적인 요소임을 고려한다.
• 모든 사용자가 최소 데이터 전송 속도 요구 조건을 충족시키면서 UAV의 에너지 소비를 최소화한다.
• 문제를 경로 계획과 에너지 최소화 하위 문제로 분해하여 해결 가능한 최적화 프레임워크를 개발한다.

제안 방법

• 혼합정수비선형 최적화 문제로 총 에너지 소비 최소화 문제를 수식화하고, 경로 계획과 에너지 최소화 하위 문제로 분해한다.
• 경로 계획 하위 문제를 해결하기 위해 이중 방법을 사용하여 사용자의 최적 방문 순서를 결정한다.
• 고정된 사용자 순서 하에서 UAV의 비행 경로 최적화를 위해 연속적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)를 적용한다.
• 에너지 최소화 하위 문제의 경우, 분석 최적화를 통해 최적의 데이터 전송 시간과 사용자 전력 할당을 유도한다.
• 일차원 검색을 활용해 에너지 최소화 문제를 단순화하여 최적 해를 효율적으로 계산한다.
• 사용자 데이터 전송 속도 제약, 에너지 수확, UAV 추진 에너지 제약을 통합된 최적화 프레임워크에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 사용자 에너지 수확 시스템에서 UAV 비행 경로와 사용자 스케줄링을 공동 최적화하여 총 에너지 소비를 최소화하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 모든 사용자가 데이터 전송 속도 요구 조건을 충족시키면서 UAV의 에너지 소비를 최소화하기 위해 각 사용자에게 할당할 전송 시간과 전력의 최적 배분은 무엇인가?
• RQ3 기존 연구에서 이를 忽시한 것과는 달리 추진 에너지를 최적화 모델에 포함시켰을 때, 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전이중모드(Full-duplex)와 반이중모드(Half-duplex) 운영 방식이 UAV 기반 에너지 수확 네트워크의 에너지 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 기존 접근 방식과 비교했을 때, 제안된 공동 최적화 프레임워크는 에너지 절감 효과와 확장성 측면에서 어떤가?

주요 결과

• 제안된 UAV 비행 경로, 사용자 스케줄링, 전송 시간/전력 할당의 공동 최적화는 기존의 전통적 방법에 비해 총 에너지 소비를 크게 감소시킨다.
• 연속적 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 기법을 활용함으로써, 비볼록 비행 경로 최적화 문제를 효율적이고 거의 최적의 해로 해결할 수 있다.
• 일차원 검색 방법은 분석적으로 유도된 최적의 전송 시간 및 전력 할당 이후 에너지 최소화 하위 문제를 효과적으로 해결한다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 알고리즘이 특히 높은 데이터 전송 속도 요구 조건이 있는 환경에서 상당한 에너지 절감 효과를 보임을 확인하였다.
• 최적의 사용자 방문 순서는 이중 분해를 통해 도출되었으며, 이는 불필요한 비행 경로를 최소화하여 시스템 효율성을 향상시켰다.
• 이 프레임워크는 추진 에너지를 지배적인 에너지 구성 요소로 고려하여, 이전 모델과 비교해 회전익 UAV에 더 현실적이고 실용적인 모델링을 제공한다.