[논문 리뷰] UAV-Enabled Wireless Power Transfer: Trajectory Design and Energy Optimization

Jie Xu, Yong Zeng외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 22.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 23인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 드론이 최적의 궤적을 통해 지상 수신기로 에너지를 최대한으로 전달하도록 최적화하는 UAV 기반 무선 전력 전송 시스템을 제안한다. 드론은 최적의 위치에서 정지하거나 연속적인 정지-이동 패턴을 따르는 궤적 설계를 통해 고정 또는 무작위 궤적보다 더 높은 에너지 공정성과 효율성을 달성한다. 특히 이동 제약 조건이 존재할 경우 더욱 두드러진 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

This paper studies a new unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) system, where a UAV-mounted mobile energy transmitter (ET) is dispatched to deliver wireless energy to a set of on-ground energy receivers (ERs). We investigate how the UAV should optimally exploit its mobility via trajectory design to maximize the energy transferred to all ERs during a finite period. First, we consider the maximization of the sum energy received by all ERs by optimizing the UAV's trajectory subject to its maximum speed constraint. We obtain its optimal solution, which shows that the UAV should hover at one single fixed location during the whole period. However, the sum-energy maximization incurs a "near-far" fairness issue. To overcome this issue, we consider a different problem to maximize the minimum received energy among all ERs. We first consider an ideal case by ignoring the UAV's maximum speed constraint, and show that the relaxed problem can be optimally solved via the Lagrange dual method. Then, for the general case with the UAV's maximum speed constraint considered, we propose a new successive hover-and-fly trajectory motivated by the optimal trajectory in the ideal case, and obtain efficient trajectory designs by applying the successive convex programing (SCP).

연구 동기 및 목표

• 장거리에서의 경로 손실으로 인해 전통적인 고정 위치 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 에너지 전송 효율이 낮다는 문제를 해결한다.
• 합계 에너지 최대화에서 발생하는 '근거리-원거리' 공정성 문제를 해결한다. 이는 멀리 떨어진 수신기가 상당히 적은 에너지를 수신하는 문제를 의미한다.
• 모든 지상 에너지 수신기(ERs) 중에서 수신 에너지의 최소값을 최대화하는 최적의 UAV 궤적을 설계함으로써 공정성을 확보한다.
• 최대 속도 등의 실용적인 UAV 이동 제약 조건을 고려하여 궤적 최적화를 수행한다.
• 실제 구현 가능성을 확보하기 위해 연속적인 볼록 프로그래밍(SCR)을 활용한 효율적인 궤적 설계를 개발한다.

제안 방법

• 모든 수신기 중에서 수확하는 에너지의 최소값을 최대화하는 궤적 최적화 문제를 수립하여, 모든 수신기 간의 공정성을 보장한다.
• 속도 제약 조건이 없는 이상적인 경우, 라그랑주 이중성을 활용하여 UAV가 최적의 시간 할당을 가진 여러 고정된 위치에서 정지하는 최적의 해를 유도한다.
• 일반적인 경우(속도 제약 조건 존재)에 대해 이상적 해를 기반으로 한 연속적인 정지-이동 궤적을 제안한다.
• 속도 및 궤적 제약 조건 하에서 비볼록 최적화 문제를 반복적으로 근사하고 해결하기 위해 연속적인 볼록 프로그래밍(SCR)을 적용한다.
• 비볼록 에너지 함수를 선형 근사하여 볼록화하고, 효율적인 수치 최적화를 가능하게 한다.
• 최적화를 단순화하고 대칭적으로 배치된 수신기들 간의 동일한 에너지 전달을 보장하기 위해 궤적의 대칭성을 강제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 속도 제약 조건 하에서 UAV의 궤적이 다수의 지상 ERs로 전송되는 총 에너지를 극대화하도록 최적화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 공정성(최소 수신 에너지를 극대화하는 것으로 정의됨)이 총 에너지보다 우선시될 경우, 최적의 궤적 구조는 어떠한가?
• RQ3 속도 제약 조건이 없는 경우 최적의 궤적이 어떻게 달라지며, 이는 실용적 설계에 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ4 실제 UAV 이동 제약 조건 하에서 연속적인 정지-이동 궤적이 근사 최적 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 제안된 궤적 설계는 에너지 공정성 및 총 에너지 전달 측면에서 기준 기법과 비교해 어떻게 성능이 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• 속도 제약 조건 하에서 총 에너지 최대화를 위한 최적의 궤적은 UAV가 전체 충전 기간 동안 단일 고정 위치에서 정지하는 것이다.
• 최소 수신 에너지를 극대화할 경우 이상적인 경우(속도 제한 없음)의 최적 해는 UAV가 최적의 시간 할당을 가진 여러 고정 지점에서 정지하는 것이다.
• 실제 제약 조건이 존재하는 경우, 제안된 연속적인 정지-이동 궤적은 최적의 정지 지점에서의 정지와 고속 이동을 조합함으로써 근사 최적 성능을 달성한다.
• 수치 결과는 제안된 궤적 설계가 기준 기법보다 총 에너지 전달 및 공정성 지표에서 뚜렷한 성능 향상을 보임을 보여준다.
• 수신기 간 거리가 $ 2H/√{3} $를 초과할 경우 성능 향상이 가장 두드러지며, 이는 최적의 정지 지점이 비영이면서 대칭적임을 의미한다.
• 연속적인 볼록 프로그래밍(SCR)을 활용함으로써 비볼록 제약 조건이 존재하는 상황에서도 효율적이고 안정적인 수렴이 가능하며 고품질의 해를 도출할 수 있다.