[论文解读] UAV-Enabled Wireless Power Transfer: Trajectory Design and Energy Optimization

Jie Xu, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 23被引用 16

一句话总结

本文提出了一种由无人机（UAV）支持的无线能量传输系统，其中无人机通过优化其轨迹以最大化向地面接收器的能量传输。该研究引入了两种轨迹设计——在最优位置悬停或采用连续的悬停-飞行模式，相较于固定或随机轨迹，显著提升了能量公平性和效率，尤其在移动性约束条件下表现更优。

ABSTRACT

This paper studies a new unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) system, where a UAV-mounted mobile energy transmitter (ET) is dispatched to deliver wireless energy to a set of on-ground energy receivers (ERs). We investigate how the UAV should optimally exploit its mobility via trajectory design to maximize the energy transferred to all ERs during a finite period. First, we consider the maximization of the sum energy received by all ERs by optimizing the UAV's trajectory subject to its maximum speed constraint. We obtain its optimal solution, which shows that the UAV should hover at one single fixed location during the whole period. However, the sum-energy maximization incurs a "near-far" fairness issue. To overcome this issue, we consider a different problem to maximize the minimum received energy among all ERs. We first consider an ideal case by ignoring the UAV's maximum speed constraint, and show that the relaxed problem can be optimally solved via the Lagrange dual method. Then, for the general case with the UAV's maximum speed constraint considered, we propose a new successive hover-and-fly trajectory motivated by the optimal trajectory in the ideal case, and obtain efficient trajectory designs by applying the successive convex programing (SCP).

研究动机与目标

• 解决传统固定位置无线能量传输（WPT）系统因长距离路径损耗导致的能量传输效率低下的问题。
• 克服在总能量最大化中出现的“远近”公平性问题，即远距离接收器接收到的能量显著较少。
• 设计最优UAV轨迹，以最大化所有地面能量接收器（ERs）中最小接收能量，确保公平性。
• 考虑实际UAV移动性约束，如最大速度，在轨迹优化中加以考量。
• 利用连续凸规划（SCP）开发高效轨迹设计，以确保实际部署的可行性。

提出的方法

• 建立轨迹优化问题，以最大化任一ER接收的最小能量，确保所有接收器之间的公平性。
• 在无速度约束的理想情况下，使用拉格朗日对偶法推导出最优解，即UAV在多个固定位置悬停并进行最优时间分配。
• 针对存在速度约束的一般情况，提出一种连续悬停-飞行轨迹，其灵感来源于理想情况下的解。
• 应用连续凸规划（SCP）迭代逼近并求解具有速度和轨迹约束的非凸优化问题。
• 采用一阶泰勒近似方法将非凸能量函数凸化，从而实现高效的数值优化。
• 通过强制轨迹对称性简化优化过程，并确保对称布置的ERs获得相等的能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在速度约束条件下，如何优化UAV轨迹以最大化向多个地面ER传输的总能量？
• RQ2 当公平性（即最大化最小接收能量）优先于总能量时，最优轨迹结构是什么？
• RQ3 在无速度约束条件下，最优轨迹如何变化？该结果为实际设计提供了哪些启示？
• RQ4 在实际UAV移动性约束下，连续悬停-飞行轨迹能否实现近似最优性能？
• RQ5 与基准方案相比，所提出的轨迹设计在能量公平性和总能量传输方面表现如何？

主要发现

• 在速度约束下，总能量最大化时的最优轨迹是UAV在整个充电周期内固定悬停于单一位置。
• 当最大化最小接收能量时，在理想情况（无速度限制）下，最优解为UAV在多个固定点悬停，并进行时间的最优分配。
• 在实际存在速度约束的情况下，所提出的连续悬停-飞行轨迹通过在最优点悬停并结合高速移动过渡，实现了近似最优性能。
• 数值结果表明，所提出的轨迹设计在总能量传输和公平性指标方面显著优于基准方案。
• 当ER之间距离超过 $ 2H/√{3} $ 时，性能增益最为显著，此时最优悬停点非零且对称。
• 连续凸规划（SCP）在非凸约束条件下，能够实现高效且稳定的收敛，获得高质量解。