[논문 리뷰] Energy Minimization for Wireless Communication with Rotary-Wing UAV

Yong Zeng, Jie Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 06.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 24인용 수 75

한 줄 요약

본 논문은 추진 에너지를 포함한 에너지 최소화 프레임워크를 회전익 UAV-enabled 무선 통신에 대해 모델링하고, joint trajectory and scheduling 최적화를 수립하며, fly-hover-communicate 및 경로 이산화 방법으로 해결한다.

ABSTRACT

This paper studies unmanned aerial vehicle (UAV) enabled wireless communication, where a rotarywing UAV is dispatched to send/collect data to/from multiple ground nodes (GNs). We aim to minimize the total UAV energy consumption, including both propulsion energy and communication related energy, while satisfying the communication throughput requirement of each GN. To this end, we first derive an analytical propulsion power consumption model for rotary-wing UAVs, and then formulate the energy minimization problem by jointly optimizing the UAV trajectory and communication time allocation among GNs, as well as the total mission completion time. The problem is difficult to be optimally solved, as it is non-convex and involves infinitely many variables over time. To tackle this problem, we first consider the simple fly-hover-communicate design, where the UAV successively visits a set of hovering locations and communicates with one corresponding GN when hovering at each location. For this design, we propose an efficient algorithm to optimize the hovering locations and durations, as well as the flying trajectory connecting these hovering locations, by leveraging the travelling salesman problem (TSP) and convex optimization techniques. Next, we consider the general case where the UAV communicates also when flying. We propose a new path discretization method to transform the original problem into a discretized equivalent with a finite number of optimization variables, for which we obtain a locally optimal solution by applying the successive convex approximation (SCA) technique. Numerical results show the significant performance gains of the proposed designs over benchmark schemes, in achieving energy-efficient communication with rotary-wing UAVs.

연구 동기 및 목표

• 추진 에너지와 통신 에너지를 모두 포함한 UAV 총 에너지 소비를 최소화한다.
• 각 지상 노드가 목표 정보 처리량을 달성하도록 보장한다.
• 회전익 UAV에서 비행 에너지와 호버링/통신 에너지 간의 트레이드오프를 이해한다.
• 단순한 및 일반적인 UAV 통신 프로토콜 모두에 대한 해들이 가능한 해법 접근법을 모색한다.
• 회전익 동역학이 포함된 TDMA 하에서 에너지 효율적인 경로 설계에 대한 통찰 및 알고리즘을 제공한다.

제안 방법

• 블레이드 프로파일, 유도 및 기생 전력 성분을 포착하는 회전익 UAV의 분석적 추진 전력 모델을 도출한다.
• 경로, 시간 할당, 그리고 처리량 제약을 가진 비볼록 에너지 최소화 문제(P1)을 형식화한다.
• fly-hover-communicate 프로토콜을 사용하여 (P1)을 유한 변수 문제로 축소하고 TSP 기반 배열 순서 및 볼록 최적화를 통해 해결한다.
• 시간 연속 문제를 연속적-> 이산으로 변환하는 경로 이산화 방법을 도입하여 순차적 볼록 근사(SCA)에 적합한 유한 변수 형태로 만든다.
• KKT 조건을 만족하는 지역 최적해로의 수렴을 보인다.
• 단일 및 다중 GN 케이스에 대한 점근적/휴리스틱 통찰을 제공하며 MR/MÉ 상수 및 최적 이동 속도를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 각 GN의 처리량 요건을 충족하면서 UAV 총 에너지(추진+통신)를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 회전익 추진 역학 하에서 에너지를 최적화하기 위한 UAV 경로 및 TDMA 스케줄링의 효율적인 알고리즘은 무엇인가?
• RQ3 fly-hover-communicate 및 경로 이산화 접근법을 어떻게 활용하여 실용적이고 근사 최적의 해를 얻을 수 있는가?
• RQ4 데이터 수집/중계 시나리오에서 회전익 UAV의 이동 에너지와 호버링/통신 에너지 간의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 다중 GN 설정에서 방문 순서와 호버링 위치가 총 에너지 소비에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 회전익 UAV의 추진 에너지는 blade profile, induced, 및 parasite 구성요소로 구성되며; 호버링이 항상 가장 에너지 효율적인 것은 아니다.
• 단일 GN의 경우 최적의 호버 지점으로 이동하고 그 지점에서 전송하기 위한 최적 균형이 MR 속도와 1차원 D_tr 트레이드오프에 의해 결정된다.
• 다중 GN의 경우 적절한 호버링 위치와 방문 순서를 선택하여 에너지를 최소화하고, 웝포인트 배치를 위한 볼록 최적화가 포함된 TSP 유사 문제로 축약된다.
• SCA를 이용한 경로 이산화 방법은 임무 시간을 미리 지정하지 않고도 일반(P1) 문제에 대한 지역 최적해를 도출한다.
• 수치 결과는 제안된 fly-hover-communicate 및 경로 이산화 설계가 벤치마크 대비 상당한 에너지 절감을 보임을 보여준다.