旋翼无人机无线通信的能量最小化

本文研究无人机（UAV）赋能的无线通信，其中派遣一架旋翼无人机向多个地面节点（GNs）发送数据或从后者收集数据。我们的目标是在满足每个 GN 通信吞吐量需求的同时，最小化无人机总能耗，包括推进能耗和与通信相关的能耗。为此，我们首先推导旋翼无人机的解析推进功耗模型，然后通过联合优化无人机轨迹、GN 间的通信时间分配以及总任务完成时间，建立能量最小化问题。该问题非凸且涉及随时间无穷多变量，难以求得最优解。为处理该问题，我们首先考虑简单的飞行-悬停-通信设计，即无人机依次访问一组悬停位置，并在每个位置悬停时与对应一个 GN 通信。针对此设计，我们利用旅行商问题（TSP）和凸优化技术，提出一种高效算法来优化悬停位置与持续时间以及连接这些悬停位置的飞行轨迹。接下来，我们考虑无人机在飞行时 also 通信的一般情形。我们提出一种新的路径离散化方法，将原始问题转化为具有有限个优化变量的离散等价问题，并通过 successive convex approximation（SCA，逐次凸逼近）技术获得其局部最优解。数值结果表明，所提设计相比基准方案在旋翼无人机节能通信方面具有显著性能增益。