In this work, we propose a framework for energy-efficient trajectory design of an unmanned aerial vehicle (UAV)-based portable access point (PAP) deployed to serve a set of ground nodes (GNs). In addition to the PAP and GNs, the system consists of a set of intelligent reflecting surfaces (IRSs) mounted on man-made structures to increase the number of bits transmitted per Joule of energy consumed measured as the global energy efficiency (GEE). The GEE trajectory for the PAP is designed by considering the UAV propulsion energy consumption and the Peukert effect of the PAP battery, which represents an accurate battery discharge profile as a non-linear function of the UAV power consumption profile. The GEE trajectory design problem is solved in two phases: in the first, a path for the PAP and feasible positions for the IRS modules are found using a multi-tier circle packing method, and the required IRS phase shift values are calculated using an alternate optimization method that considers the interdependence between the amplitude and phase responses of an IRS element; in the second phase, the PAP flying velocity and user scheduling are calculated using a novel multilap trajectory design algorithm. Numerical evaluations show that: neglecting the Peukert effect overestimates the available flight time of the PAP; after a certain threshold, increasing the battery size reduces the available flight time of the PAP; the presence of IRS modules improves the GEE of the system compared to other baseline scenarios; the multi-lap trajectory saves more energy compared to a single-lap trajectory developed using a combination of sequential convex programming and Dinkelbach algorithm.


翻译:在这项工作中,我们提出了一个框架,用于设计一个基于能源效率的无人驾驶航空飞行器(UAV)的便携式接入点(PAP)的节能轨迹设计。除了PAP和GNS外,该系统还包括一套在人为结构上安装的智能反射表面(IRS),以增加以全球能效衡量的消耗能源每焦耳中传输的比特数。PAP的GEE轨迹设计方法是考虑UAV推进能源消耗量和PAP电池的Peukert效应,这代表了精确的电池排放轨迹,是UAV电力消耗量配置的非线性轨道函数。除了PAP和GNGs外,该系统的轨迹设计问题分两个阶段解决:首先,PAP路径和IRS模块的可行位置是多层包装方法,所要求的IRS阶段转换值是使用一种替代优化方法来计算,该方法考虑到IRS元素的振动度和分阶段反应之间的相互依存关系;第二阶段,PAP的电池排放轨迹分布曲线的精确轨迹图是使用新的飞行速度和用户轨迹测方法计算出SUI-PA的某种飞行轨迹测算。

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