[論文レビュー] Energy-Efficient UAV Communication with Trajectory Optimization

Yong Zeng, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2016

UAV Applications and Optimization参考文献 20被引用数 56

ひとこと要約

本稿では、プロplusエネルギーとスループットの両方を最小化することで、UAV-地上通信におけるエネルギー効率を最大化するための軌道最適化フレームワークを提案する。固定翼UAVの物理ベースのエネルギーモデルを導出し、非凸最適化問題を定式化し、逐次凸プログラミングにより解くことで、ホバリングや定速飛行といったベンチマークと比較して顕著なエネルギー効率の向上を示している。

ABSTRACT

Wireless communication with unmanned aerial vehicles (UAVs) is a promising technology for future communication systems. In this paper, we study energy-efficient UAV communication with a ground terminal via optimizing the UAV's trajectory, a new design paradigm that jointly considers both the communication throughput and the UAV's energy consumption. To this end, we first derive a theoretical model on the propulsion energy consumption of fixed-wing UAVs as a function of the UAV's flying speed, direction and acceleration, based on which the energy efficiency of UAV communication is defined. Then, for the case of unconstrained trajectory optimization, we show that both the rate-maximization and energy-minimization designs lead to vanishing energy efficiency and thus are energy-inefficient in general. Next, we introduce a practical circular UAV trajectory, under which the UAV's flight radius and speed are optimized to maximize the energy efficiency for communication. Furthermore, an efficient design is proposed for maximizing the UAV's energy efficiency with general constraints on its trajectory, including its initial/final locations and velocities, as well as maximum speed and acceleration. Numerical results show that the proposed designs achieve significantly higher energy efficiency for UAV communication as compared with other benchmark schemes.

研究の動機と目的

• UAV通信システムにおける搭載エネルギーの制限という重要な課題に応えるために、エネルギー効率を最適化するための軌道を設計すること。
• 固定翼UAVの推力エネルギー消費を、速度、加速度、方向の関数としてモデル化すること。
• 通信スループットと推力エネルギー消費の両方をバランスさせた軌道を設計し、ホバリングや最大速度走行といったエネルギー効率が著しく低い極端な動作を回避すること。
• 実世界のUAV展開に向けた実用的な円形軌道と一般化された制約付き軌道設計を開発すること。
• 数値結果を通じて、提案手法が従来の手法に比べてエネルギー効率において顕著に優れていることを示すこと。

提案手法

• 航空力学的原則に基づいて、固定翼UAVの理論的推力エネルギーモデルを導出し、速度および加速度に依存するエネルギーの依存関係を捉える。
• エネルギー効率をビット/ジュールとして定義し、通信レートとUAV推力エネルギーを統合する。
• 制約なし条件下でエネルギー効率を最大化するための最適化半径および速度を有する円形軌道を提案する。
• 初期状態・最終状態および速度・加速度制限を含む一般化された制約付き軌道最適化問題を解くために、逐次凸プログラミング（SCP）手法を導入する。
• 一次テイラー近似を用いてレート関数を線形化し、効率的な反復最適化を可能にする。
• 反復的に凸部分問題を解くことで、局所最適な軌道に収束する逐次的精錬アルゴリズムを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポイントツーポイントのUAV-地上通信において、エネルギー効率を最大化する最適なUAV軌道は何か？
• RQ2 固定翼UAVの推力エネルギーは速度および加速度にどのように依存するか。この依存関係を最適化に活用するためのモデル化手法は何か？
• RQ3 従来のアプローチ、例えばレート最大化やエネルギー最小化は、なぜUAVシステムにおいてエネルギー効率がゼロに近づいてしまうのか？
• RQ4 円形軌道設計は、従来の飛行パターンと比較してより高いエネルギー効率を達成できるか？
• RQ5 初期状態・最終状態、最大速度、加速度制限などの一般化された軌道制約を、エネルギー効率最適化フレームワークにどのように統合できるか？

主な発見

• 提案された円形軌道設計は、ホバリングや定速飛行といったベンチマーク手法と比較して、顕著に高いエネルギー効率を達成している。
• 最大エネルギー効率を実現する最適速度は、誘導抵抗とパラサイト抵抗のバランスに基づき、(c₂/(3c₁))¹/⁴として導出された。
• 逐次凸プログラミング（SCP）手法は、初期速度および最終速度・位置を含むすべての制約を満たす局所最適解に収束する。
• 数値結果から、提案手法は固定速度を有する円形軌道と比較して、エネルギー効率を最大30％向上させていることが示された。
• 最適軌道のエネルギー効率はゼロから離れており、レート最大化やエネルギー最小化の設計とは異なり、効率が消失する現象を回避している。