[论文解读] UAV-Enabled Wireless Power Transfer with Directional Antenna: A Two-User Case

Yundi Wu, Jie Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 10被引用 18

一句话总结

本文提出一种基于定向波束的无人机无线能量传输系统，通过联合优化无人机轨迹、高度和波束宽度，以最大化两个地面接收器的最小接收能量。该方法采用基于最优松弛解推导出的悬停-飞行-悬停策略，相较于全向波束和静态悬停基准方案，在接收器间距较大时表现出显著的性能增益。

ABSTRACT

This paper considers an unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless power transfer (WPT) system, in which a UAV equipped with a directional antenna is dispatched to deliver wireless energy to charge two energy receivers (ERs) on the ground. Under this setup, we maximize the common (or minimum) energy received by the two ERs over a particular finite charging period, by jointly optimizing the altitude, trajectory, and transmit beamwidth of the UAV, subject to the UAV's maximum speed constraints, as well as the maximum/minimum altitude and beamwidth constraints. However, the common energy maximization is a non-convex optimization problem that is generally difficult to be solved optimally. To tackle this problem, we first ignore the maximum UAV speed constraints and solve the relaxed problem optimally. The optimal solution to the relaxed problem reveals that the UAV should hover above two symmetric locations during the whole charging period, with the corresponding altitude and beamwidth optimized. Next, we study the original problem with the maximum UAV speed constraints considered, for which a heuristic hover-fly-hover trajectory design is proposed based on the optimal symmetric-location-hovering solution to the relaxed problem. Numerical results validate that thanks to the employment of directional antenna with adaptive beamwidth and altitude control, our proposed design significantly improves the common energy received by the two ERs, as compared to other benchmark schemes.

研究动机与目标

• 解决传统全向波束无人机无线能量传输系统因路径损耗和方向性不足导致的效率低下问题。
• 探索在定向波束成形中，无人机高度、波束宽度与轨迹之间的权衡关系，以实现能量传输的公平性。
• 在有限充电时间内，最大化两个地面能量接收器的共同（最小）接收能量。
• 考虑实际约束条件，包括最大无人机速度、最小/最大高度以及波束宽度限制。
• 提出一种启发式轨迹设计，在移动性约束下兼顾最优性与可行性。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，通过联合控制无人机轨迹、高度与波束宽度，以最大化两个能量接收器的最小接收能量。
• 忽略最大无人机速度约束，求解问题的松弛版本，推导出在两个对称位置上的最优对称悬停解。
• 以最优松弛解为基础，设计一种适用于原始问题（含速度约束）的启发式悬停-飞行-悬停轨迹。
• 应用可调波束宽度的定向波束模型，以增强方向性增益并减少路径损耗。
• 结合路径损耗模型与自由空间路径损耗模型，根据无人机位置与波束参数计算每个接收器的接收功率。
• 通过数值仿真验证设计性能，对比基准方案：全向波束无人机、静态悬停以及松弛问题的理论上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 与全向波束传输相比，采用可调波束宽度的定向波束成形在无人机无线能量传输中如何提升能量公平性？
• RQ2 在移动性与硬件约束下，为最大化两个地面接收器的最小接收能量，无人机的最优轨迹结构是什么？
• RQ3 在三维无人机无线能量传输系统中，无人机高度与波束宽度如何协同影响能量传输效率与公平性？
• RQ4 当无人机速度受限时，所提出的悬停-飞行-悬停轨迹设计在多大程度上逼近最优解？
• RQ5 所提出的启发式设计与松弛问题的理论上限之间存在多大的性能差距？

主要发现

• 当距离较小时（D ≤ 12 m），无人机通过在两个接收器中点处以最小高度和最小波束宽度悬停，可实现最优性能。
• 当距离较大时（D ≥ 15 m），无人机通过依次悬停于每个接收器正上方，利用窄波束宽度与低高度以最大化增益，显著优于基准方案。
• 当距离适中时（12 m ≤ D ≤ 14 m），无人机动态调整其悬停位置、高度与波束宽度，以平衡路径损耗与方向性增益。
• 所提出的悬停-飞行-悬停轨迹设计在充电时间增加时，相较传统全向波束无人机与静态悬停方案，可实现高达40%的共同能量增益。
• 随着充电时间T增加，所提设计的性能趋近于松弛问题的理论上限，验证了其近似最优性。
• 当D ≥ 15 m时，所提系统显著优于全向波束无人机与静态悬停基准方案，充分体现了定向波束成形与移动性的优势。