[论文解读] Throughput Maximization for Laser-Powered UAV Wireless Communication Systems

Jie Ouyang, Yueling Che+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

UAV Applications and Optimization参考文献 6被引用 11

一句话总结

本文提出了一种针对激光供能无人机的联合轨迹与功率分配优化方法，旨在能量收集约束下最大化下行链路吞吐量。通过在双环形轨迹上采用交替优化与序列凸规划，该方法相较于基准方案显著提升了频谱效率，且随着飞行时间延长，吞吐量显著增加。

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.

研究动机与目标

• 解决利用激光供能能量收集技术实现长时无人机通信的挑战。
• 在能量收集、速度和加速度约束下，建立非凸优化问题以最大化下行链路吞吐量。
• 通过联合优化无人机轨迹与发射功率，平衡高效激光能量收集与高质量无线通信之间的权衡。
• 针对一般情况，利用交替优化与序列凸规划（SCP）开发高效求解方法。

提出的方法

• 引入双环形轨迹作为特例，即无人机在激光发射机和地面站正上方的两个圆形路径之间飞行，以平衡能量收集与通信性能。
• 优化无人机在每个环形路径上的飞行速度与半径，以在能量收集约束下最大化吞吐量。
• 采用交替优化方法，迭代地优化无人机轨迹与发射功率分配，每次固定其中一个变量，优化另一个。
• 使用序列凸规划（SCP）近似并求解非凸子问题，实现向高质量解的收敛。
• 以双环形轨迹和等功率分配作为算法初始值，确保解的可行性和有效收敛。
• 基于速度、加速度与飞行路径动力学，建立无人机复杂能耗模型，包括推进与通信能耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化无人机轨迹与发射功率，以在激光能量收集约束下最大化下行链路吞吐量？
• RQ2 何种轨迹形状（如双环形）最能平衡激光供能无人机系统中的能量收集与通信质量？
• RQ3 提高激光发射功率对最优无人机飞行策略与系统吞吐量有何影响？
• RQ4 联合轨迹与功率优化在频谱效率方面相较于固定轨迹基准方案的性能提升程度如何？

主要发现

• 所提出的联合优化算法在下行链路总吞吐量方面显著优于采用等功率分配的双环形轨迹与单环形轨迹基准方案。
• 在激光发射功率为600 W时，所提设计的吞吐量高于双环形基准方案，尤其在飞行时间较长时优势更明显。
• 当激光功率增至1200 W时，无人机最优轨迹转变为仅在地面站正上方的单环形飞行路径，表明高功率激光束降低了双阶段飞行的需求。
• 无人机轨迹具有动态适应性：在更高激光功率下，其更靠近激光发射机飞行以收集更多能量，随后在地面站上方悬停以维持强通信链路。
• 吞吐量随飞行时间T增加而提升，且所提方法的增长速率显著高于基准方案，验证了联合优化的有效性。
• 双环形轨迹设计实现了能量收集与通信之间的有利权衡，无人机在激光侧环形路径上的速度为26.43 m/s，在地面站侧为17.11 m/s，以平衡能量与数据速率。