[论文解读] Energy Efficient UAV Communication with Energy Harvesting

Zhaohui Yang, Wei Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2019

UAV Applications and Optimization参考文献 48被引用 9

一句话总结

本文提出了一种节能型无人机通信系统，结合能量收集技术，其中旋翼无人机向多个用户传输无线能量，以支持上行链路数据传输。通过联合优化无人机轨迹、用户调度以及时间与功率分配，采用连续凸逼近和对偶分解方法，系统在满足数据速率约束的前提下最小化总能耗，在仿真中实现了显著的节能效果。

ABSTRACT

This paper investigates an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless communication system with energy harvesting, where the UAV transfers energy to the users in half duplex or full duplex, and the users harvest energy for data transmission to the UAV. We minimize the total energy consumption of the UAV while accomplishing the minimal data transmission requests of the users. The original optimization problem is decomposed into two subproblems: path planning subproblem and energy minimization subproblem with fixed path planning. For path planning subproblem, the optimal visiting order is obtained by using the dual method and the trajectory is optimized via the successive convex approximation technique. For energy minimization subproblem with fixed path planning, we firstly obtain the optimal portion of data transmission time within the entire procedure and the optimal transmission power of each user. Then, the the energy minimization subproblem is greatly simplified and it is efficiently solved via a one-dimensional search method. Simulation results are illustrated to verify the theoretical findings.

研究动机与目标

• 解决在具备能量收集功能的无人机通信网络中最小化总能耗的挑战。
• 优化无人机轨迹与用户调度，以提升多用户场景下的能量效率。
• 考虑旋翼无人机中推进能耗为主要因素，与以往聚焦固定翼或单用户系统的研究所不同。
• 确保所有用户均满足其最低数据速率要求，同时最小化无人机能耗。
• 构建联合优化框架，将问题分解为路径规划与能耗最小化子问题，以实现可解的解决方案。

提出的方法

• 将总能耗最小化问题建模为混合整数非凸优化问题，并分解为路径规划与能耗最小化子问题。
• 采用对偶方法求解路径规划子问题，以确定用户最优访问顺序。
• 应用连续凸逼近（SCA）方法，在用户访问顺序固定的前提下优化无人机轨迹。
• 针对能耗最小化子问题，通过解析优化推导出最优数据传输时间与用户功率分配。
• 利用一维搜索方法简化能耗最小化问题，以高效计算最优解。
• 将用户数据速率约束、能量收集约束以及无人机推进能耗约束统一整合到一个优化框架中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多用户能量收集系统中，如何联合优化无人机轨迹与用户调度以最小化总能耗？
• RQ2 为最小化无人机能耗并满足数据速率要求，每个用户的最优传输时间与功率分配应如何配置？
• RQ3 与以往忽略推进能耗的模型相比，将推进能耗纳入优化模型对系统性能有何影响？
• RQ4 在无人机支持的能量收集网络中，全双工与半双工操作对能量效率的影响有何差异？
• RQ5 所提出的联合优化框架在节能效果与可扩展性方面相较于现有方法有何优势？

主要发现

• 所提出的无人机轨迹、用户调度以及时间与功率分配的联合优化方法，显著降低了与传统方案相比的总能耗。
• 连续凸逼近方法能够高效求解非凸轨迹优化问题，并获得近似最优解。
• 一维搜索方法在解析推导出最优时间与功率分配后，能有效求解能耗最小化子问题。
• 仿真结果表明，所提算法在高数据速率需求场景下实现了显著的节能效果。
• 通过对偶分解确定了用户的最优访问顺序，减少了冗余飞行路径，提升了系统效率。
• 该框架将推进能耗作为主导能耗成分，相较于以往模型更符合旋翼无人机的实际运行特性，更具现实意义与实用性。