[논문 리뷰] Energy Trade-off in Ground-to-UAV Communication via Trajectory Design

Dingcheng Yang, Qingqing Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 09.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 11인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 지상 단말기(GT)와 무인항공기(UAV) 간의 지상에서 UAV로의 통신 시스템에서, UAV 항로 설계가 GT 업링크 전송 에너지와 UAV 추진 에너지 간의 에너지 트레이드오프를 균형 잡는 데 초점을 맞춘다. 원형 및 직선 비행 경로에 대해 최적의 GT 송신 전력과 UAV 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하여, 파레토 최적 트레이드오프를 드러낸다: UAV의 에너지 소비가 높아질수록 GT의 에너지 소비가 감소하며, 저전력 회로(10 mW) 조건에서 UAV 에너지 소비가 18 kJ에서 40 kJ로 증가할 경우 GT 에너지 소비는 최대 3-4배 감소한다.

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have a great potential for improving the performance of wireless communication systems due to their wide coverage and high mobility. In this paper, we study a UAV-enabled data collection system, where a UAV is dispatched to collect a given amount of data from a ground terminals (GT) at fixed location. Intuitively, if the UAV flies closer to the GT, the uplink transmission energy of the GT required to send the target data can be more reduced. However, such UAV movement may consume more propulsion energy of the UAV, which needs to be properly controlled to save its limited on-board energy. As a result, the transmission energy reduction of the GT is generally at the cost of higher propulsion energy consumption of the UAV, which leads to a new fundamental energy trade-off in Ground-to-UAV (G2U) wireless communication. To characterize this trade-off, we consider two practical UAV trajectories, namely circular flight and straight flight. In each case, we first derive the energy consumption expressions of the UAV and GT, and then find the optimal GT transmit power and UAV trajectory that achieve different Pareto optimal trade-off between them. Numerical results are provided to corroborate our study.

연구 동기 및 목표

• 지상에서 UAV로의 통신(G2U) 시스템에서 GT 전송 에너지를 줄이기 위해 UAV 추진 에너지를 증가시키는 데 초점을 맞춘 기본적인 에너지 트레이드오프를 해결한다.
• 원형 및 직선 비행과 같은 두 가지 실용적인 비행 패턴에서 GT 송신 전력과 UAV 궤적을 공동으로 최적화하여 이 트레이드오프를 특성화한다.
• GT와 UAV의 에너지 소비 간에 파레토 최적 트레이드오프를 달성하는 최적의 GT 송신 전력과 UAV 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• GT의 통신 에너지(송신 및 회로 전력)와 UAV의 추진 에너지를 모두 고려하여 UAV 시스템의 실제 에너지 제약 조건을 반영한다.
• 다양한 데이터 부하 및 회로 전력 조건 하에서 비행 궤적과 속도 선택이 에너지 트레이드오프에 미치는 영향을 수치적으로 검증한다.

제안 방법

• GT와 UAV 간의 거리에 따라 변하는 경로 손실을 고려한 라인오브사이트(LoS) 경로 손실 모델을 사용하여 G2U 채널을 모델링하며, 채널 이득은 GT와 UAV 간 거리의 제곱에 반비례한다.
• 비행 속도와 궤적 기하학에 따라 의존하는 물리 기반 모델을 사용하여 UAV 추진 에너지 소비를 수식화하며, 고정익 UAV의 항공역학적 특성에서 유도된 계수를 사용한다.
• GT 통신 에너지를 송신 전력과 데이터 전송률에 따라 달라지는 송신 에너지와 활성 전송 중 일정한 회로 에너지의 합으로 표현하며, 데이터 전송률은 쇤느의 용량 제약 조건을 만족한다.
• 같은 UAV 에너지 소비를 만족하는 두 가지 가능한 UAV 속도(V₁ 및 V₂)에 대해 속도 변수에 대한 이차 방정식을 기반으로, 서로 다른 GT 에너지 소비를 유도하는 폐쇄형 해를 도출한다.
• 필요한 데이터 전송률과 GT 송신 전력 간의 관계를 정의하기 위해 전력 대 전송률 함수의 역함수 G⁻¹을 사용하여 파레토 최적 에너지 쌍의 분석적 유도를 가능하게 한다.
• 두 가지 후보 해(E₁,₁ 및 E₁,₂) 중에서 두 가지 가능한 UAV 속도에서 유도된 해를 비교하여, 주어진 UAV 에너지 예산 하에서 GT 에너지 소비를 최소화하는 해를 선택함으로써 최적의 GT 에너지 소비를 선정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV의 비행 궤적 설계는 G2U 통신 시스템에서 GT 업링크 전송 에너지와 UAV 추진 에너지 간의 트레이드오프에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 원형 및 직선 비행 궤적에 대해 파레토 최적 에너지 트레이드오프를 달성하는 최적의 GT 송신 전력과 UAV 비행 속도는 무엇인가?
• RQ3 GT의 회로 전력은 에너지 트레이드오프 곡선의 형태와 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 데이터 크기(Q)가 직선 비행 시나리오에서 최적의 UAV 속도와 그로 인한 에너지 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다른 UAV 비행 속도(V₁ 및 V₂)는 어떻게 다른 파레토 최적 점을 유도하며, 다양한 GT 전력 소비 영역에서 최적의 속도는 무엇인가?

주요 결과

• 원형 비행의 경우, GT 회로 전력이 낮을 때(10 mW), UAV 에너지 소비를 18 kJ에서 40 kJ로 증가시키면 GT 에너지 소비가 약 3-4배 감소함을 확인하여 강력한 에너지 트레이드오프를 입증한다.
• GT 회로 전력이 50 mW일 경우 트레이드오프의 정도는 다소 떨어지지만, 여전히 궤적 최적화를 통해 UAV 에너지 소비가 GT 에너지 절감에 크게 기여한다.
• 직선 비행의 경우, 작은 데이터 부하(30 Mb) 조건에서는 높은 속도 비행(V₁)이 파레토 최적 경계를 달성한다. 이는 전송 시간을 단축시켜 GT의 회로 에너지 소비를 줄이기 때문이다.
• 더 큰 데이터 부하(100 Mb) 조건에서는 저속도 비행(V₂)이 최적이다. 이는 GT의 송신 에너지가 지배적이며, 더 긴 전송 시간을 통해 더 낮은 송신 전력을 달성할 수 있기 때문이다.
• 같은 UAV 에너지 소비를 만족하는 두 가지 가능한 UAV 속도(V₁ 및 V₂)는 서로 다른 GT 에너지 소비 수준을 초래하며, 최적의 선택은 GT 송신 전력과 회로 전력의 상대적 크기에 따라 달라진다.
• 수치적 결과는 유도된 최적 GT 송신 전력과 UAV 속도에 대한 폐쇄형 해가 파레토 최적 에너지 트레이드오프를 달성함을 확인하며, 원형 및 직선 비행 케이스 모두에 대해 명시적인 수식이 도출되었다.