[논문 리뷰] Throughput Maximization for Laser-Powered UAV Wireless Communication Systems

Jie Ouyang, Yueling Che외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 02.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 6인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 에너지 수확 제약 조건 하에서 다운링크 총대역폭을 최대화하기 위해 레이저 공급 에너지를 활용하는 무인항공기(UAV)의 공동 궤도 및 전력 할당 최적화를 제안한다. 이중 원형 궤도에서 교차 최적화와 순차적 볼록 프로그래밍을 활용함으로써 기준 대비 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 달성하며, 비행 시간이 증가할수록 총대역폭이 크게 증가한다.

ABSTRACT

Laser power has become a viable solution to provide convenient and sustainable energy supply to unmanned aerial vehicles (UAVs). In this paper, we study a laser-powered UAV wireless communication system, where a laser transmitter sends laser beams to charge a fixed-wing UAV in flight, and the UAV uses the harvested laser energy to communicate with a ground station. To maintain the UAV's sustainable operation, its total energy consumption cannot exceed that harvested from the laser transmitter. Under such a laser energy harvesting constraint, we maximize the downlink communication throughput from the UAV to the ground station over a finite time duration, by jointly optimizing the UAV's trajectory and its transmit power allocation. However, due to the complicated UAV energy consumption model, this problem is non-convex and difficult to be solved. To tackle the problem, we first consider a special case with a double-circular UAV trajectory which balances the tradeoff between maximizing the performance of laser energy harvesting versus wireless communication at the UAV. Next, based on the obtained double-circular trajectory, we propose an efficient solution to the general problem, by applying the techniques of alternating optimization and sequential convex programming (SCP). Finally, numerical results are provided to validate the communication throughput performance of the proposed design.

연구 동기 및 목표

• 레이저 공급 에너지 수확을 통해 장시간 지속 가능한 UAV 통신을 구현하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 에너지 수확, 속도, 가속도 제약 조건 하에서 다운링크 총대역폭을 최대화하기 위한 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 효율적인 레이저 에너지 수확과 고품질 무선 통신 간의 트레이드오프를 공동으로 최적화함으로써 UAV 궤도와 전송 전력 할당을 조율한다.
• 교차 최적화와 순차적 볼록 프로그래밍(SCP)을 활용하여 일반 케이스에 대해 효율적인 해법을 개발한다.

제안 방법

• 레이저 송신기와 지상국 위에 중심이 있는 두 개의 원형 경로를 따라 비행하는 이중 원형 궤도를 특수 케이스로 도입하여 에너지 수확 성능와 통신 성능를 균형 잡는다.
• 에너지 수확 제약 조건 하에서 각 원형 경로에서 UAV의 비행 속도와 반경을 최적화하여 총대역폭을 극대화한다.
• 각각을 고정한 상태에서 다른 변수를 최적화함으로써 교차 최적화를 적용하여 UAV 궤도와 전력 할당을 반복적으로 개선한다.
• 비볼록 하위문제를 근사하고 해결하기 위해 순차적 볼록 프로그래밍(SCP)을 사용하여 수렴 가능한 고품질 해를 확보한다.
• 초기화 단계로 이중 원형 궤도와 동일한 전력 할당을 사용하여 타당성 있고 효과적인 수렴을 보장한다.
• 속도, 가속도, 비행 경로 역학 기반으로 추진력과 통신 기반의 복잡한 UAV 에너지 소비를 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 에너지 수확 제약 조건 하에서 UAV 궤도와 전송 전력을 공동으로 최적화하여 다운링크 총대역폭을 극대화하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 레이저 공급 UAV 시스템에서 에너지 수확과 통신 품질을 균형 잡는 데 가장 적합한 궤도 형태는 무엇인가? (예: 이중 원형)
• RQ3 레이저 송신 전력 증가가 최적의 UAV 비행 전략과 시스템 총대역폭에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 스펙트럼 효율성 측면에서 공동 궤도 및 전력 최적화가 고정 궤도 기준 대비 얼마나 뛰어나게 성능을 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 공동 최적화 알고리즘은 동일한 전력 할당을 적용한 이중 원형 궤도 및 단일 원형 궤도 대비 다운링크 합총대역폭 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 레이저 송신 전력 600 W 조건에서 제안된 설계는 비행 시간이 증가할수록 이중 원형 기준 대비 더 높은 총대역폭을 달성하였다.
• 레이저 전력 1200 W 조건에서는 UAV 최적 궤도가 지상국 위의 단일 원형 경로로 전환되었으며, 이는 고출력 레이저 빔이 이중 단계 비행의 필요성을 감소시킴을 시사한다.
• UAV 궤도는 동적으로 적응한다: 레이저 전력이 높아질수록 레이저 송신기 근처로 더 가까이 비행하여 더 많은 에너지를 수확하고, 이후 지상국 위에서 정지 비행하여 강력한 통신 링크를 유지한다.
• 비행 시간 T가 증가함에 따라 총대역폭이 증가하며, 제안된 방법은 기준 대비 더 급격한 증가율을 보여 공동 최적화의 효과성을 입증한다.
• 이중 원형 궤도 설계는 에너지 수확과 통신 간의 유리한 트레이드오프를 가능하게 하였으며, 레이저 측면 원형 경로에서는 26.43 m/s, 지상국 측면에서는 17.11 m/s의 속도를 확보하여 에너지 수확률과 데이터 전송률을 균형 잡았다.