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Energy Minimization for Wireless Communication With Rotary-Wing UAV

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作者
Yong Zeng,Jie Xu,Rui Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Wireless Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:18 (4): 2329-2345 被引量:1773
标识
DOI:10.1109/twc.2019.2902559
摘要

This paper studies unmanned aerial vehicle (UAV)-enabled wireless communication, where a rotary-wing UAV is dispatched to communicate with multiple ground nodes (GNs). We aim to minimize the total UAV energy consumption, including both propulsion energy and communication related energy, while satisfying the communication throughput requirement of each GN. To this end, we first derive a closed-form propulsion power consumption model for rotary-wing UAVs, and then formulate the energy minimization problem by jointly optimizing the UAV trajectory and communication time allocation among GNs, as well as the total mission completion time. The problem is difficult to be optimally solved, as it is non-convex and involves infinitely many variables over time. To tackle this problem, we first consider the simple fly-hover-communicate design, where the UAV successively visits a set of hovering locations and communicates with one corresponding GN while hovering at each location. For this design, we propose an efficient algorithm to optimize the hovering locations and durations, as well as the flying trajectory connecting these hovering locations, by leveraging the travelling salesman problem with neighborhood and convex optimization techniques. Next, we consider the general case, where the UAV also communicates while flying. We propose a new path discretization method to transform the original problem into a discretized equivalent with a finite number of optimization variables, for which we obtain a high-quality suboptimal solution by applying the successive convex approximation technique. The numerical results show that the proposed designs significantly outperform the benchmark schemes.
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