[论文解读] Energy Trade-off in Ground-to-UAV Communication via Trajectory Design

Dingcheng Yang, Qingqing Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2017

UAV Applications and Optimization参考文献 11被引用 8

一句话总结

本论文研究了地面站（GT）与无人机（UAV）在地面到无人机（G2U）通信系统中的能量权衡问题，其中UAV轨迹设计需在GT上行链路传输能量与UAV推进能量之间取得平衡。针对圆形和直线飞行轨迹，作者推导出最优GT发射功率与UAV速度的闭式表达式，揭示了帕累托最优权衡：更高的UAV能量消耗可减少GT的能量使用，当UAV能量从18 kJ增至40 kJ时，GT能量可减少3至4倍，尤其在电路功率较低（10 mW）时表现显著。

ABSTRACT

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have a great potential for improving the performance of wireless communication systems due to their wide coverage and high mobility. In this paper, we study a UAV-enabled data collection system, where a UAV is dispatched to collect a given amount of data from a ground terminals (GT) at fixed location. Intuitively, if the UAV flies closer to the GT, the uplink transmission energy of the GT required to send the target data can be more reduced. However, such UAV movement may consume more propulsion energy of the UAV, which needs to be properly controlled to save its limited on-board energy. As a result, the transmission energy reduction of the GT is generally at the cost of higher propulsion energy consumption of the UAV, which leads to a new fundamental energy trade-off in Ground-to-UAV (G2U) wireless communication. To characterize this trade-off, we consider two practical UAV trajectories, namely circular flight and straight flight. In each case, we first derive the energy consumption expressions of the UAV and GT, and then find the optimal GT transmit power and UAV trajectory that achieve different Pareto optimal trade-off between them. Numerical results are provided to corroborate our study.

研究动机与目标

• 解决地面到无人机（G2U）通信系统中地面站（GT）与无人机（UAV）之间的基本能量权衡问题，即降低GT传输能量需以增加UAV推进能量为代价。
• 通过联合优化GT发射功率与UAV轨迹，在两种实际飞行模式（圆形飞行与直线飞行）下表征该能量权衡关系。
• 推导出实现GT与UAV能量消耗之间帕累托最优权衡的最优GT发射功率与UAV速度的闭式表达式。
• 同时考虑GT的通信能量（发射与电路功率）和UAV的推进能量，反映UAV系统中的真实世界能量约束。
• 通过数值验证展示飞行轨迹与速度选择如何在不同数据负载与电路功率条件下影响能量权衡。

提出的方法

• 使用视 Line-of-Sight（LoS）路径损耗模型建模G2U信道，路径损耗与距离相关，信道增益与GT与UAV之间距离的平方成反比。
• 采用基于物理的模型计算UAV推进能量消耗，其依赖于飞行速度与轨迹几何形状，系数源自固定翼UAV空气动力学特性。
• 将GT通信能量表示为发射能量（与发射功率和数据速率相关）与电路能量（主动传输时恒定）之和，数据速率受香农容量约束。
• 基于速度变量的二次方程，推导出两种可能的UAV速度（V₁ 和 V₂），它们产生相同的UAV能量消耗但导致不同的GT能量消耗。
• 利用功率-速率函数的反函数 G⁻¹，将所需数据速率与GT发射功率关联，从而实现帕累托最优能量对的解析推导。
• 通过比较由两种可能UAV速度导出的两个候选解（E₁,₁ 与 E₁,₂），选择使GT能量消耗最小化的解，从而确定最优GT能量消耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 UAV的轨迹设计如何影响G2U通信系统中GT上行链路传输能量与UAV推进能量之间的权衡？
• RQ2 在圆形与直线飞行轨迹下，实现帕累托最优能量权衡的最优GT发射功率与UAV飞行速度是什么？
• RQ3 GT的电路功率如何影响能量权衡曲线的形状与特性？
• RQ4 在直线飞行场景中，数据量（Q）对最优UAV速度与最终能量权衡的影响是什么？
• RQ5 不同的UAV飞行速度（V₁ 与 V₂）如何导致不同的帕累托最优点？在不同GT功率消耗模式下，哪种速度为最优选择？

主要发现

• 在圆形飞行中，当GT电路功率较低（10 mW）时，UAV能量消耗从18 kJ增至40 kJ，GT能量消耗可减少约3至4倍，表明存在显著的能量权衡。
• 当GT电路功率为50 mW时，权衡效应减弱，但通过轨迹优化，UAV能量消耗仍显著影响GT的能量节省。
• 在直线飞行中，对于小数据负载（30 Mb），高速轨迹（V₁）达到帕累托最优边界，因其通过缩短传输时间降低了GT的电路能量消耗。
• 对于大数据负载（100 Mb），低速轨迹（V₂）为最优，因为GT的发射能量占主导，且通过延长传输时间可实现更低的发射功率。
• 两种可能的UAV速度（V₁ 与 V₂）在产生相同UAV能量消耗时，会导致不同的GT能量消耗水平，最优选择取决于GT发射功率与电路功率的相对大小。
• 数值结果证实，所推导的最优GT发射功率与UAV速度的闭式解能够实现帕累托最优能量权衡，并为圆形与直线飞行情况分别给出了明确的表达式。