[논문 리뷰] Energy-Efficient UAV Communication with Trajectory Optimization

Yong Zeng, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 05.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 20인용 수 56

한 줄 요약

이 논문은 추진 에너지 소모를 최소화하고 통신 용량을 최대화함으로써 무인 항공기(드론)-지상 통신 시스템의 에너지 효율성을 극대화하기 위한 궤적 최적화 프레임워크를 제안한다. 고정익 드론을 대상으로 물리 기반의 에너지 모델을 유도하고, 비볼록 최적화 문제를 제시하며, 순차적 볼록 프rogramming(Sequential Convex Programming)을 통해 해결함으로써, 정지 비행이나 일정 속도 비행과 같은 기준 대비 뚜렷한 에너지 효율성 향상을 보였다.

ABSTRACT

Wireless communication with unmanned aerial vehicles (UAVs) is a promising technology for future communication systems. In this paper, we study energy-efficient UAV communication with a ground terminal via optimizing the UAV's trajectory, a new design paradigm that jointly considers both the communication throughput and the UAV's energy consumption. To this end, we first derive a theoretical model on the propulsion energy consumption of fixed-wing UAVs as a function of the UAV's flying speed, direction and acceleration, based on which the energy efficiency of UAV communication is defined. Then, for the case of unconstrained trajectory optimization, we show that both the rate-maximization and energy-minimization designs lead to vanishing energy efficiency and thus are energy-inefficient in general. Next, we introduce a practical circular UAV trajectory, under which the UAV's flight radius and speed are optimized to maximize the energy efficiency for communication. Furthermore, an efficient design is proposed for maximizing the UAV's energy efficiency with general constraints on its trajectory, including its initial/final locations and velocities, as well as maximum speed and acceleration. Numerical results show that the proposed designs achieve significantly higher energy efficiency for UAV communication as compared with other benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 드론 통신 시스템에서 제한된 탑재 에너지를 고려해 궤적 최적화를 통해 에너지 효율성을 극대화하고자 한다.
• 속도, 가속도, 이동 방향에 따라 고정익 드론의 추진 에너지 소비를 모델링하고자 한다.
• 통신 용량과 추진 에너지 소비를 균형 있게 조절하는 궤적을 설계하여, 정지 비행이나 최고 속도 비행과 같은 에너지 효율이 떨어지는 극단적인 조건을 피하고자 한다.
• 실제 드론 운영에 적합한 원형 궤적과 일반적인 제약 조건을 포함한 궤적 설계 방법을 개발하고자 한다.
• 수치적 결과를 통해 제안된 방법이 기존의 전통적 기법들보다 에너지 효율성에서 뚜렷한 우수성을 보임을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 비행역학 원리를 기반으로 고정익 드론의 이론적 추진 에너지 모델을 유도하여 속도와 가속도에 따른 에너지 의존도를 반영한다.
• 통신 속도와 드론의 추진 에너지를 종합하여 비트/줄 단위의 에너지 효율성으로 정의한다.
• 제약 조건이 없는 조건에서 에너지 효율성을 극대화하기 위해 최적화된 반지름과 속도를 가진 원형 궤적을 제안한다.
• 초기/최종 상태 및 속도/가속도 제한 조건이 존재하는 일반적인 제약 조건이 있는 궤적 최적화 문제를 해결하기 위해 순차적 볼록 프로그래밍(Sequential Convex Programming, SCP) 기법을 도입한다.
• 통신 속도 함수를 선형화하기 위해 일阶 테일러 근사(First-order Taylor approximation)를 활용하여 효율적인 반복 최적화를 가능하게 한다.
• 반복적으로 볼록 하위 문제를 해결함으로써 국소 최적 궤적에 수렴하는 순차적 정밀화 알고리즘을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포인트 투 포인트 드론-지상 통신 환경에서 에너지 효율성을 극대화하는 최적의 드론 궤적은 무엇인가?
• RQ2 고정익 드론의 추진 에너지 소비는 속도와 가속도에 따라 어떻게 변화하며, 이를 최적화에 활용하기 위해 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 기존의 접근 방식인 속도 최대화 또는 에너지 최소화가 드론 시스템에서 에너지 효율성이 급격히 떨어지는 이유는 무엇인가?
• RQ4 원형 궤적 설계가 기존의 비행 패tern보다 더 높은 에너지 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 초기/최종 상태, 최대 속도, 가속도 제약 조건을 포함한 일반적인 궤적 제약 조건을 에너지 효율성 최적화 프레임워크에 어떻게 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 원형 궤적 설계는 정지 비행이나 일정 속도 비행과 같은 기준 대비 뚜렷한 에너지 효율성 향상을 보였다.
• 에너지 효율성을 극대화하는 최적의 속도는 유도 저항과 유체 저항의 균형을 고려해 (c₂/(3c₁))¹/⁴로 유도되었다.
• 순차적 볼록 프로그래밍(Sequential Convex Programming, SCP) 방법은 초기 및 최종 속도와 위치 제약 조건을 모두 만족하는 국소 최적 해에 수렴한다.
• 수치적 결과에 따르면, 제안된 방법은 고정된 속도를 가진 원형 궤적 대비 에너지 효율성을 최대 30% 향상시켰다.
• 최적 궤적의 에너지 효율성은 영으로 수렴하지 않으며, 속도 최대화나 에너지 최소화 설계와 달리 효율성이 급격히 떨어지지 않는다.