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

Jie Xu, Yong Zeng외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 21.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 13인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 드론이 두 개의 지상 수신기로 에너지를 최대화하도록 최적의 궤적을 설계하는 UAV 기반 무선 전력 전송 시스템을 제안한다. 수신기가 가까울 경우 두 수신기 사이에 정지하는 것이 에너지 전송을 최대화하고, 떨어져 있을 경우 하강-비행-하강 궤적이 최적임을 보이며, 이는 고속 또는 장시간 운용 조건에서 특히 효율성과 공정성 향상에 기여한다.

ABSTRACT

This paper studies a new unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) system, where a UAV-mounted energy transmitter (ET) broadcasts wireless energy to charge distributed energy receivers (ERs) on the ground. In particular, we consider a basic two-user scenario, and investigate how the UAV can optimally exploit its mobility to maximize the amount of energy transferred to the two ERs during a given charging period. We characterize the achievable energy region of the two ERs, by optimizing the UAV's trajectory subject to a maximum speed constraint. We show that when the distance between the two ERs is smaller than a certain threshold, the boundary of the energy region is achieved when the UAV hovers above a fixed location between them for all time; while when their distance is larger than the threshold, to achieve the boundary of the energy region, the UAV in general needs to hover and fly between two different locations above the line connecting them. Numerical results show that the optimized UAV trajectory can significantly improve the WPT efficiency and fairness of the two ERs, especially when the UAV's maximum speed is large and/or the charging duration is long.

연구 동기 및 목표

• 고정된 에너지 전송기 시스템의 낮은 WPT 효율성과 제한된 커버리지 문제를 UAV 이동성의 장점을 활용하여 해결하고자 한다.
• UAV 궤적 제약 조건 하에서 두 개의 지상 에너지 수신기의 가용 에너지 영역을 특성화하고자 한다.
• 전체 전송 에너지를 최대화하면서도 수신기 간 공정성을 확보하기 위해 UAV 궤적을 최적화하고자 한다.
• 두 수신기의 에너지 영역의 파레토 경계를 달성하기 위한 조건을 도출하고자 한다.

제안 방법

• 공정성 제약 조건 하에서 총 에너지 전송량을 최대화하기 위해 에너지 프로파일 기법을 사용한다.
• 속도 제약 조건을 무시한 후 효율적인 알고리즘을 통해 이를 통합함으로써 궤적 최적화 문제를 해결한다.
• 수신기 간 거리와 고도에 기반한 최적 UAV 위치 조건을 분석적으로 도출한다.
• 변분법과 일阶 최적성 조건을 적용하여 에너지 전송 함수를 분석한다.
• 공정성을 확보하기 위해 대칭적인 궤적 설계를 제안하며, 필요에 따라 두 정지 지점 간 시간 공유 전략을 적용한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 고속 또는 장시간 운용 조건에서 성능 향상이 있음을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAV의 궤적이 WPT 시스템에서 두 지상 수신기의 에너지 영역에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 두 수신기 사이에서 정지하는 것이 에너지 전송을 최대화하기 위해 최적일 조건은 무엇인가?
• RQ3 수신기가 떨어져 있을 경우 에너지 영역의 파레토 경계를 달성하는 데 어떤 궤적 전략이 적합한가?
• RQ4 UAV의 최대 속도 제약 조건이 최적 궤적 설계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 UAV 기반 WPT에서 에너지 공정성과 총 전송 에너지 간의 상충 관계는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 두 수신기 간 거리가 $ 2H / √{3} $ 이하일 경우, 최적 궤적은 두 수신기 사이의 고정된 지점 위에서 안정적으로 정지하는 것이다.
• 두 수신기 간 거리가 $ 2H / √{3} $ 를 초과할 경우, 최적 궤적은 두 개의 별도 정지 지점 간을 왔다 갔다 하는 하강-비행-하강 패턴이다.
• 수신기가 떨어져 있을 경우, 두 대칭적 정지 위치 간의 시간 공유를 통해 UAV는 에너지 영역의 파레토 경계를 달성한다.
• UAV가 두 수신기 사이에서 정지할 경우 에너지 영역은 볼록함을 보이며, 에너지 분배의 최적 트레이드오프를 나타낸다.
• 수치 결과는 고속 또는 장시간 충전 조건에서 WPT 효율성과 공정성 향상이 뚜렷하게 나타남을 보여준다.
• 제안된 궤적 설계는 고정된 에너지 전송기 시스템보다 전송기 밀도를 감소시키고 커버리지를 향상시켜 우수한 성능을 발휘한다.