[논문 리뷰] Optimal 1D Trajectory Design for UAV-Enabled Multiuser Wireless Power Transfer

Yulin Hu, Xiaopeng Yuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 01.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 최대 속도 제약 조건 하에서 지상 노드들 간의 수신 에너지 최소값을 최대화하는 UAV 기반 다중 사용자 무선 전력 전송을 위한 처음으로 전역 최적의 1차원 경로 설계를 제안한다. 속도 제약이 있는 경로를 최대 속도 성분과 속도 자유 성분으로 분해하고 라그랑주 이중성 방법을 활용하여, 최적 해가 유한한 정지 지점과 최적화된 지속 시간을 가진 순차적 정지-비행(SHF) 구조를 따름을 보여주며, 이는 이전 히وري스틱 방법보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

In this paper, we study an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) network, where a UAV flies at a constant altitude in the sky to provide wireless energy supply for a set of ground nodes with a linear topology. Our objective is to maximize the minimum received energy among all ground nodes by optimizing the UAV's one-dimensional (1D) trajectory, subject to the maximum UAV flying speed constraint. Different from previous works that only provided heuristic and locally optimal solutions, this paper is the first work to present the globally optimal 1D UAV trajectory solution to the considered min-energy maximization problem. Towards this end, we first show that for any given speed-constrained UAV trajectory, we can always construct a maximum-speed trajectory and a speed-free trajectory, such that their combination can achieve the same received energy at all these ground nodes. Next, we transform the original UAV-speed-constrained trajectory optimization problem into an equivalent UAV-speed-free problem, which is then optimally solved via the Lagrange dual method. The obtained optimal 1D UAV trajectory solution follows the so-called successive hover-and-fly (SHF) structure, i.e., the UAV successively hovers at a finite number of hovering points each for an optimized hovering duration, and flies among these hovering points at the maximum speed. Numerical results show that our proposed optimal solution significantly outperforms the benchmark schemes in prior works under different scenarios.

연구 동기 및 목표

• 속도 제약 조건 하에서 UAV 기반 다중 사용자 무선 전력 전송에 대한 전역 최적 해의 부재 문제를 해결하기 위해.
• 선형 토폴로지에서 지상 노드들 간의 수신 에너지 최소값을 최대화하기 위해.
• 실제 이동 제약 조건 하에서 최적 1D UAV 경로의 구조적 성질을 규명하기 위해.
• 이전 연구에서 히وري스틱 및 局부 최적 해법의 한계를 극복하기 위해.
• 에너지 공정성 기반 WPT 시스템에서 최적 UAV 경로 설계를 위한 이론적 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 모든 속도 제약이 있는 1D UAV 경로를 최대 속도 경로와 속도 자유 경로로 분해하는 새로운 방법을 제안한다.
• 이 두 경로의 병합된 WPT 성능이 원래의 속도 제약 경로와 정확히 일치함을 증명한다.
• 경로 분해를 통해 원래의 속도 제약 최적화 문제를 등가의 속도 자유 문제로 변환한다.
• 등가의 속도 자유 문제를 최적화하기 위해 라그랑주 이중성 방법을 적용한다.
• 최적 경로를 순차적 정지-비행(SHF) 구조로 도출하며, 이는 유한한 정지 지점과 최적화된 지속 시간을 포함한다.
• 최적 해에서 정지 지점 수에 대한 상한을 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 속도 제약 조건 하에서 다중 사용자 WPT 시스템에서 수신 에너지 최소값을 최대화하기 위한 전역 최적의 1D UAV 경로는 무엇인가?
• RQ2 속도 제약이 있는 경로 최적화 문제를 최적 해를 갖는 데 등가적인 속도 자유 문제로 변환할 수 있는가?
• RQ3 정지 및 비행 단계 측면에서 최적 UAV 경로를 정의하는 구조적 성질은 무엇인가?
• RQ4 제안된 방법은 이전 연구에서의 히وري스틱 및 국소 최적 접근 방식보다 어떻게 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 최적 경로 해에서 정지 지점의 최대 수는 얼마인가?

주요 결과

• 최적의 1D UAV 경로는 UAV가 유한한 수의 지점에서 최적의 지속 시간 동안 정지하고, 그 사이를 최대 속도로 비행하는 순차적 정지-비행(SHF) 구조를 따른다.
• 최적 경로에서 정지 지점의 수는 상한이 존재하여 효율적인 탐색과 설계가 가능하다.
• 모든 시험 케이스에서 기준 대비 제안된 방법이 훨씬 높은 최소 수신 에너지를 달성한다.
• 최대 속도 성분과 속도 자유 성분으로의 경로 분해를 통해 WPT 성능이 정확히 동일하게 유지되며, 이중성에 의해 최적 해를 도출할 수 있다.
• 이 유형의 UAV 기반 WPT 문제에 대해 속도 제약 조건 하에서 전역 최적 해가 처음으로 문헌에 도출되었다.
• 수치 결과는 제안된 최적 알고리즘이 에너지 공정성 및 시스템 성능 측면에서 히وري스틱 및 국소 최적 해법보다 뛰어나다는 것을 확인한다.