[논문 리뷰] UAV-Enabled Wireless Power Transfer with Directional Antenna: A Two-User Case

Yundi Wu, Jie Xu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 10.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 10인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 지상 수신기에서 수확하는 최소 에너지를 최대화하기 위해 방향성 안테나를 사용하는 무인 항공기(UAV) 기반 무선 전력 전송(WPT) 시스템을 제안한다. 최적의 유연한 해법에서 유도된 허공-비행-허공 전략을 활용해 UAV의 경로, 고도, 빔폭을 공동 최적화함으로써, 전체 방향성 및 정적 허공 정지 기준보다 성능 향상을 크게 달성하며, 특히 수신기 간 거리가 클수록 유의미한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

This paper considers an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) system, in which a UAV equipped with a directional antenna is dispatched to deliver wireless energy to charge two energy receivers (ERs) on the ground. Under this setup, we maximize the common (or minimum) energy received by the two ERs over a particular finite charging period, by jointly optimizing the altitude, trajectory, and transmit beamwidth of the UAV, subject to the UAV's maximum speed constraints, as well as the maximum/minimum altitude and beamwidth constraints. However, the common energy maximization is a non-convex optimization problem that is generally difficult to be solved optimally. To tackle this problem, we first ignore the maximum UAV speed constraints and solve the relaxed problem optimally. The optimal solution to the relaxed problem reveals that the UAV should hover above two symmetric locations during the whole charging period, with the corresponding altitude and beamwidth optimized. Next, we study the original problem with the maximum UAV speed constraints considered, for which a heuristic hover-fly-hover trajectory design is proposed based on the optimal symmetric-location-hovering solution to the relaxed problem. Numerical results validate that thanks to the employment of directional antenna with adaptive beamwidth and altitude control, our proposed design significantly improves the common energy received by the two ERs, as compared to other benchmark schemes.

연구 동기 및 목표

• 경로 손실과 방향성 부족으로 인해 효율성이 떨어지는 기존의 전체 방향성 UAV 기반 WPT 시스템의 문제를 해결하기 위해.
• 공정한 에너지 전달을 위해 UAV 고도, 빔폭, 경로 간의 상호 상충 관계를 탐색하기 위해.
• 유한한 충전 기간 동안 두 개의 지상 에너지 수신기에서 수확하는 공통(최소) 에너지를 극대화하기 위해.
• 최대 UAV 속도, 최소/최대 고도, 빔폭 제한 등의 실용적 제약 조건을 고려하기 위해.
• 이동 제약 조건 하에서 최적성과 실현 가능성의 균형을 이루는 히우리스틱 경로 설계를 개발하기 위해.

제안 방법

• 두 ER의 최소 수신 에너지를 극대화하기 위해 UAV 경로, 고도, 빔폭을 공동 제어하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 최대 UAV 속도 제약 조건을 무시한 채 문제의 유연한 해법을 풀어, 두 대칭 위치에서 대칭적 허공 정지 해법을 유도한다.
• 유연한 최적 해법을 기반으로, 속도 제약 조건이 있는 원래 문제에 적합한 히우리스틱 허공-비행-허공 경로를 설계한다.
• 조정 가능한 빔폭을 갖춘 방향성 안테나 모델을 적용해 직접성 이득을 향상시키고 경로 손실을 감소시킨다.
• 경로 손실 및 자유공간 경로 손실 모델을 통합하여 UAV 위치 및 빔 파rameter에 기반해 각 ER에서 수신되는 전력을 계산한다.
• 기준과 비교한 수치 시뮬레이션을 통해 설계를 검증한다: 전체 방향성 UAV, 정적 허공 정지, 유연한 문제에서의 이론적 상한선.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조정 가능한 빔폭을 갖춘 방향성 빔형성은 전체 방향성 전송에 비해 UAV 기반 WPT에서 에너지 공정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 이동성 및 하드웨어 제약 조건 하에서 두 개의 지상 수신기에서 수확하는 최소 에너지를 극대화하기 위해 최적의 UAV 경로 구조는 무엇인가?
• RQ3 UAV 고도와 빔폭이 3차원 UAV-WPT 시스템에서 에너지 전송 효율성과 공정성에 공동으로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 UAV 속도 제약 조건이 있을 때 제안된 허공-비행-허공 경로 설계가 최적 해법을 어느 정도 근사하는가?
• RQ5 제안된 히우리스틱 설계와 유연한 문제에서 도출된 이론적 상한선 사이의 성능 격은 어느 정도인가?

주요 결과

• 작은 거리(D ≤ 12 m)에서는 UAV가 두 ER 사이의 중점에서 최소 고도와 최소 빔폭으로 허공 정지함으로써 최적 성능을 달성한다.
• 큰 거리(D ≥ 15 m)에서는 좁은 빔폭과 낮은 고도를 활용해 각 ER 위에 순차적으로 허공 정지함으로써 기준보다 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 중간 거리(12 m ≤ D ≤ 14 m)에서는 UAV가 허공 정지 위치, 고도, 빔폭을 동적으로 조절하여 경로 손실과 직접성 이득을 균형 있게 조절한다.
• 제안된 허공-비행-허공 경로 설계는 기존의 전체 방향성 UAV 및 정적 허공 정지 기준보다 최대 40% 높은 공통 에너지를 달성하며, 특히 충전 시간이 길수록 유의미한 성능 향상을 보인다.
• 충전 시간 T가 증가함에 따라 제안된 설계의 성능가 이론적 상한선에 가까워지며, 이는 근사 최적성의 타당성을 검증한다.
• D ≥ 15 m일 경우 제안된 시스템은 전체 방향성 UAV 및 정적 허공 정지 기준을 크게 뛰어넘으며, 방향성 빔형성과 이동성의 이점을 입증한다.