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

Jie Xu, Yong Zeng+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 13被引用 13

一句话总结

本文提出一种由无人机（UAV）支持的无线能量传输系统，其中无人机通过最优轨迹设计以最大化向两个地面接收器的能量传输。当接收器距离较近时，停留在两者之间可实现最大能量传输；当距离较远时，采用‘悬停-飞行-悬停’的轨迹最为理想，显著提升效率与公平性，尤其在高速或长时间运行条件下表现突出。

ABSTRACT

This paper studies a new unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) system, where a UAV-mounted energy transmitter (ET) broadcasts wireless energy to charge distributed energy receivers (ERs) on the ground. In particular, we consider a basic two-user scenario, and investigate how the UAV can optimally exploit its mobility to maximize the amount of energy transferred to the two ERs during a given charging period. We characterize the achievable energy region of the two ERs, by optimizing the UAV's trajectory subject to a maximum speed constraint. We show that when the distance between the two ERs is smaller than a certain threshold, the boundary of the energy region is achieved when the UAV hovers above a fixed location between them for all time; while when their distance is larger than the threshold, to achieve the boundary of the energy region, the UAV in general needs to hover and fly between two different locations above the line connecting them. Numerical results show that the optimized UAV trajectory can significantly improve the WPT efficiency and fairness of the two ERs, especially when the UAV's maximum speed is large and/or the charging duration is long.

研究动机与目标

• 通过利用无人机的移动性，解决固定发射端（ET）系统中无线能量传输（WPT）效率低和覆盖范围有限的挑战。
• 在无人机轨迹约束下，刻画两个地面接收器（ER）可实现的能量区域。
• 优化无人机轨迹以最大化总传输能量，同时确保两个接收器之间的公平性。
• 推导出在何种条件下，悬停或在两点间飞行可实现能量区域的帕累托边界。

提出的方法

• 采用能量剖面技术，在公平性约束下最大化总能量传输。
• 首先忽略速度限制求解轨迹优化问题，随后通过高效算法引入速度约束。
• 基于接收器距离与高度，推导出最优无人机位置的解析条件。
• 应用变分法与一阶最优性条件，分析能量传输函数。
• 提出对称轨迹设计以保障公平性，必要时在两个悬停点之间采用时分复用。
• 通过数值仿真验证结果，表明在高速或长时间运行条件下性能显著提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 无人机的轨迹如何影响无线能量传输系统中两个地面接收器的能量区域？
• RQ2 在何种条件下，无人机在两个接收器之间悬停可实现最大能量传输？
• RQ3 当接收器距离较远时，何种轨迹策略可实现能量区域的帕累托边界？
• RQ4 无人机最大速度约束如何影响最优轨迹设计？
• RQ5 在无人机无线能量传输系统中，能量公平性与总能量传输之间存在何种权衡？

主要发现

• 当两个接收器之间的距离小于或等于 $ 2H / √{3} $ 时，最优轨迹为在两者之间固定点上稳定悬停。
• 当距离超过 $ 2H / √{3} $ 时，最优轨迹为‘悬停-飞行-悬停’模式，交替于两个不同的悬停点之间。
• 当接收器距离较远时，无人机通过在两个对称悬停位置之间时分复用，可实现能量区域的帕累托边界。
• 当无人机在两个接收器之间悬停时，能量区域为凸集，表明能量分配的最优权衡。
• 数值结果表明，WPT效率与公平性显著提升，尤其在无人机速度较高或充电时间较长时。
• 所提出的轨迹设计优于固定发射端系统，可降低所需发射端密度并提升覆盖范围。