KR102560726B1 - Method and Apparatus for Optimizing Energy Efficiency of UAV Communication Using Intelligent Reflecting Surface - Google Patents

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Abstract

지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법 및 장치가 제시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는 지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법은, 무인항공기의 통신 환경에서 복수개의 지능형 반사 표면을 고려한 시스템 모델을 제공하는 단계; 및 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하기 위해 상기 시스템 모델을 기반으로 상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. A method and apparatus for optimizing the energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface are presented. An energy efficiency optimization method for unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflecting surface (IRS) performed by a computer device according to an embodiment of the present invention considers a plurality of intelligent reflecting surfaces in an unmanned aerial vehicle communication environment. providing a system model; and optimizing a phase set value of the intelligent reflective surface and a path, speed, and communication time of the unmanned aerial vehicle based on the system model to minimize energy consumption of the unmanned aerial vehicle.

Description

지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법 및 장치{Method and Apparatus for Optimizing Energy Efficiency of UAV Communication Using Intelligent Reflecting Surface}Method and Apparatus for Optimizing Energy Efficiency of UAV Communication Using Intelligent Reflecting Surface}

본 발명의 실시예들은 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무인항공기 통신 환경에서 지능형 반사 표면을 고려하여 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하는 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법 및 장치에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a method and apparatus for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, and more particularly, to minimize energy consumption of an unmanned aerial vehicle by considering an intelligent reflective surface in an unmanned aerial vehicle communication environment. It relates to a method and apparatus for optimizing energy efficiency of aircraft communication.

현재 무선 통신 시스템은 5세대(fifth-generation, 5G) 기술을 통해 밀리미터파(millimeter-wave, mmWave) 통신에 발을 딛고 있다. MmWave 통신은 굉장히 넓은 대역폭을 활용하면서, 높은 정보 전달률(achievable rate) 등 다양한 통신의 요구사항을 만족할 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 mmWave 대역폭은 높은 전파 감쇄율과 낮은 투과율로 인한 한계점도 지니고 있어, 이를 해소하기 위한 다양한 방식들이 연구되고 있다. Current wireless communication systems are stepping into millimeter-wave (mmWave) communication through fifth-generation (5G) technology. MmWave communication is expected to be able to satisfy various communication requirements such as a high information transmission rate (achievable rate) while utilizing a very wide bandwidth. However, mmWave bandwidth also has limitations due to high propagation attenuation and low transmittance, and various methods are being studied to solve this problem.

다양한 연구들 중에 두각을 드러내는 기술들로 지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)과 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)가 있다. 지능형 반사 표면이란 다수의 수동소자를 지닌 평면 장치로, 각각의 수동소자들은 자신에게 반사되는 전자기파의 위상을 독립적으로 바꿀 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 지능형 반사 표면은 가상의 LoS(Line of Sight) 경로 만들기 등, 무선 통신 채널을 유리하게 바꿀 수 있다. 무인항공기는 조종을 통해 하늘을 자유롭게 날아다니는 물체로, 이를 이용하여 하늘에서 릴레이(relay)나 기지국으로 활용하여 통신을 진행할 수 있다. 무인항공기는 고도를 통해 높은 품질의 채널을 얻을 수 있으며, 조작을 통해 건물과 같은 전파 방해 요소를 능동적으로 회피할 수 있다. 이 특징들을 이용하여, 무인항공기는 mmWave 대역 통신의 한계점을 극복할 수 있는 후보로 손꼽히고 있다.Technologies that stand out among various studies include Intelligent Reflecting Surface (IRS) and Unmanned Aerial Vehicle (UAV). An intelligent reflective surface is a flat device with multiple passive elements, each of which can independently change the phase of electromagnetic waves reflected on it. Using these properties, intelligent reflective surfaces can advantageously change wireless communication channels, such as creating virtual Line of Sight (LoS) paths. An unmanned aerial vehicle (UAV) is an object that flies freely in the sky through control, and it can be used as a relay or base station in the sky for communication. The unmanned aerial vehicle can obtain a high-quality channel through altitude and can actively avoid radio interference factors such as buildings through manipulation. Using these features, unmanned aerial vehicles are considered as candidates that can overcome the limitations of mmWave band communication.

이러한 가능성에도 불구하고 무인항공기 통신은 상용화를 하기에 아직 에너지 소모량과 같은 한계점을 지니고 있다. 기존의 통신 장치들은 전력을 직접 보충 받을 수 있지만, 무인항공기는 공중 비행의 특성 때문에 전력을 보충 받기 어렵다. 또한, 무인항공기는 통신 외에도 비행에 의하여 굉장히 많은 전력을 소모한다. 결론적으로 무인항공기는 전력 소모량이 굉장히 높은 것에 반해, 에너지는 한정되어 있기 때문에 사용에 큰 제약이 있다.Despite these possibilities, unmanned aerial vehicle communication still has limitations such as energy consumption for commercialization. Existing communication devices can directly receive supplemental power, but unmanned aerial vehicles have difficulty receiving supplemental power due to the nature of aerial flight. In addition, the unmanned aerial vehicle consumes a lot of power by flight in addition to communication. In conclusion, while unmanned aerial vehicles consume very high power, their use is limited because energy is limited.

S. Li, B. Duo, X. Yuan, Y. Liang, and M. D. Renzo, "Reconfigurable Intelligent Surface Assisted UAV Communication: Joint Trajectory Design and Passive Beamforming," IEEE Wireless Communications Letters, vol. 9, no. 5, pp. 716-720, Jan. 2020. S. Li, B. Duo, X. Yuan, Y. Liang, and M. D. Renzo, "Reconfigurable Intelligent Surface Assisted UAV Communication: Joint Trajectory Design and Passive Beamforming," IEEE Wireless Communications Letters, vol. 9, no. 5, p. 716-720, Jan. 2020.

본 발명의 실시예들은 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 무인항공기 통신 환경에서 지능형 반사 표면을 고려하는 새로운 시스템 모델을 제안하고, 이를 기반으로 지능형 반사 표면을 동시에 여러 개 사용하여 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하는 기술을 제공한다. Embodiments of the present invention describe a method and apparatus for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, and more specifically, propose a new system model that considers an intelligent reflective surface in an unmanned aerial vehicle communication environment. It provides a technology that minimizes the energy consumption of unmanned aerial vehicles by simultaneously using multiple intelligent reflective surfaces.

본 발명의 실시예들은 무인항공기 통신의 한계점인 에너지 소모량을 보완하기 위해 지상의 지능형 반사 표면을 효과적으로 활용하여, 무인항공기의 에너지 소모량을 현격히 낮추는 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법 및 장치를 제공하는데 있다. Embodiments of the present invention effectively utilize intelligent reflective surfaces on the ground to supplement energy consumption, which is a limitation of UAV communication, and a method for optimizing energy efficiency of UAV communication using an intelligent reflective surface that significantly lowers energy consumption of UAVs. and to provide an apparatus.

본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는 지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법은, 무인항공기의 통신 환경에서 복수개의 지능형 반사 표면을 고려한 시스템 모델을 제공하는 단계; 및 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하기 위해 상기 시스템 모델을 기반으로 상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. An energy efficiency optimization method for unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflecting surface (IRS) performed by a computer device according to an embodiment of the present invention considers a plurality of intelligent reflecting surfaces in an unmanned aerial vehicle communication environment. providing a system model; and optimizing a phase set value of the intelligent reflective surface and a path, speed, and communication time of the unmanned aerial vehicle based on the system model to minimize energy consumption of the unmanned aerial vehicle.

상기 무인항공기는, 릴레이(relay) 또는 기지국 역할을 할 수 있다. The unmanned aerial vehicle may serve as a relay or a base station.

상기 지능형 반사 표면은, 다수개의 수동소자를 포함하는 평면 장치로 이루어져, 각각의 상기 수동소자가 반사되는 전자기파의 위상을 독립적으로 변경할 수 있다. The intelligent reflective surface is composed of a flat device including a plurality of passive elements, each of which can independently change the phase of reflected electromagnetic waves.

상기 시스템 모델은, probabilistic LoS 모델 기반으로 이루어지며, 상기 무인항공기와 지정된 물체 사이의 LoS(Line of Sight) 경로가 존재할 확률을 고도각의 함수로 나타내고, 장소의 건물 밀도 및 평균 높이를 포함하는 정보를 이용하여 환경 변수를 설정할 수 있다. The system model is based on a probabilistic LoS model, expresses the probability that a LoS (Line of Sight) path between the unmanned aerial vehicle and a designated object exists as a function of elevation angle, Information including building density and average height of the place You can set environment variables using .

상기 시스템 모델은, 상기 지능형 반사 표면이 위치한 높이, 수신 장치의 높이 및 임의의 물체에 대해 설정된 높이 중 적어도 어느 하나 이상을 새로운 유효 지면으로 취급하여 상기 환경 변수를 변화시키도록 설정될 수 있다. The system model may be set to change the environment variable by treating at least one of a height at which the intelligent reflective surface is located, a height of the receiving device, and a height set for an arbitrary object as a new effective ground.

상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계는, 상기 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정하는 단계; 상기 정보 전달률을 기반으로 최적화 문제를 설계하는 단계; 및 상기 최적화 문제를 푸는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. Optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the path, speed, and communication time of the unmanned aerial vehicle may include: calculating an information transfer rate of a receiving device in a communication environment of the unmanned aerial vehicle; designing an optimization problem based on the information transfer rate; and solving the optimization problem.

상기 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정하는 단계는, 상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값을 산정하는 단계; 산정된 상기 위상 설정 값을 설정하고 신호의 세기를 최대화하여 상기 정보 전달률을 최대화하는 단계; 및 상기 지능형 반사 표면이 수신 장치를 지원할 때의 상기 정보 전달률을 산정하는 단계를 포함할 수 있다. Calculating the information transmission rate of the receiving device in the communication environment of the unmanned aerial vehicle includes: calculating a phase setting value of the intelligent reflective surface; maximizing the information transfer rate by setting the calculated phase setting value and maximizing signal strength; and calculating the information transfer rate when the intelligent reflective surface supports a receiving device.

상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계는, 복수개의 상기 지능형 반사 표면을 동시에 사용하여 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. In the step of optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the path, speed, and communication time of the UAV, energy consumption of the UAV can be minimized by simultaneously using a plurality of the intelligent reflective surfaces.

상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계는, 한 순간에 하나의 상기 지능형 반사 표면을 사용하여 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. In the step of optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the path, speed, and communication time of the UAV, energy consumption of the UAV can be minimized by using one intelligent reflective surface at a time.

본 발명의 다른 실시예에 따른 지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치는, 무인항공기의 통신 환경에서 복수개의 지능형 반사 표면을 고려한 시스템 모델을 제공하는 시스템 모델부; 및 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하기 위해 상기 시스템 모델을 기반으로 상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 최적화부를 포함하여 이루어질 수 있다. An apparatus for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflecting surface (IRS) according to another embodiment of the present invention is a system that provides a system model considering a plurality of intelligent reflecting surfaces in an unmanned aerial vehicle communication environment. model part; and an optimization unit that optimizes a phase setting value of the intelligent reflective surface and a route, speed, and communication time of the unmanned aerial vehicle based on the system model to minimize energy consumption of the unmanned aerial vehicle.

상기 시스템 모델은, probabilistic LoS 모델 기반으로 이루어지며, 상기 무인항공기와 지정된 물체 사이의 LoS(Line of Sight) 경로가 존재할 확률을 고도각의 함수로 나타내고, 장소의 건물 밀도 및 평균 높이를 포함하는 정보를 이용하여 환경 변수를 설정할 수 있다. The system model is based on a probabilistic LoS model, expresses the probability that a LoS (Line of Sight) path between the unmanned aerial vehicle and a designated object exists as a function of elevation angle, Information including building density and average height of the place You can set environment variables using .

상기 최적화부는, 상기 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정하는 정보 전달률 산정부; 상기 정보 전달률을 기반으로 최적화 문제를 설계하는 최적화 문제 설계부; 및 상기 최적화 문제를 푸는 최적화 문제 계산부를 포함할 수 있다. The optimization unit may include: an information transfer rate calculation unit that calculates an information transfer rate of a receiving device in the communication environment of the unmanned aerial vehicle; an optimization problem designing unit that designs an optimization problem based on the information transfer rate; and an optimization problem calculation unit that solves the optimization problem.

상기 정보 전달률 산정부는, 상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값을 산정하고, 산정된 상기 위상 설정 값을 설정하고 신호의 세기를 최대화하여 상기 정보 전달률을 최대화하며, 상기 지능형 반사 표면이 수신 장치를 지원할 때의 상기 정보 전달률을 산정할 수 있다. The information transmission rate calculation unit calculates the phase setting value of the intelligent reflective surface, sets the calculated phase setting value and maximizes the signal strength to maximize the information transmission rate, and when the intelligent reflective surface supports the receiving device The information transmission rate of can be calculated.

상기 최적화부는, 복수개의 상기 지능형 반사 표면을 동시에 사용하여 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. The optimization unit may minimize energy consumption of the unmanned aerial vehicle by simultaneously using a plurality of the intelligent reflective surfaces.

상기 최적화부는, 한 순간에 하나의 상기 지능형 반사 표면을 사용하여 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. The optimizer can minimize energy consumption of the unmanned aerial vehicle by using one intelligent reflective surface at a time.

본 발명의 실시예들에 따르면 무인항공기 통신의 한계점인 에너지 소모량을 보완하기 위해 지상의 지능형 반사 표면을 효과적으로 활용하여, 무인항공기의 에너지 소모량을 현격히 낮추는 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법 및 장치를 제공할 수 있다. According to embodiments of the present invention, energy efficiency of UAV communication using an intelligent reflective surface that significantly lowers the energy consumption of an UAV by effectively utilizing an intelligent reflective surface on the ground to supplement energy consumption, which is a limitation of UAV communication. Optimization methods and devices can be provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기 다운링크 통신 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 지능형 반사 표면이 있을 때의 실제 정보 전달률과 근사한 정보 전달률을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 장치의 요청 정보량에 따른 무인항공기 경로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 장치의 요청 정보량에 따른 무인항공기의 에너지 소모량을 나타내는 도면이다.
1 is a diagram schematically illustrating an unmanned aerial vehicle downlink communication system according to an embodiment of the present invention.
2A is a flowchart illustrating a method for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface according to an embodiment of the present invention.
2B is a flowchart illustrating a method for optimizing a phase setting value of an intelligent reflective surface and a path, speed, and communication time of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram illustrating an energy efficiency optimization device for unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing an actual information transmission rate and an approximate information transmission rate when there is one intelligent reflective surface according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an unmanned aerial vehicle path according to an amount of information requested by a receiving device according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating energy consumption of an unmanned aerial vehicle according to an amount of information requested by a receiving device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, several embodiments are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

본 발명의 실시예에서 고려하는 무인항공기 통신 시스템은 하나의 단일 안테나 무인항공기가 개의 단일 안테나 수신 장치를 지원하는 다운링크 상황이며, 각각 개의 수동소자를 가진 개의 지능형 반사 표면이 무인항공기를 보조한다.An unmanned aerial vehicle communication system considered in an embodiment of the present invention is a single antenna unmanned aerial vehicle. downlink situation supporting single-antenna receiving devices, each with two passive elements Two intelligent reflective surfaces assist the drone.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 지능형 반사 표면들을 활용하여 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하는 것이다. 본 발명에서는 목적 달성을 위하여 무인항공기와 지능형 반사 표면의 특징을 고려한 새로운 시스템 모델을 제안하며, 제안한 모델을 기반으로 지능형 반사 표면들의 위상 설정 값과 무인항공기의 경로, 속도, 통신 시간을 최적화하는 알고리즘들을 제공하여 효과적으로 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화한다. 또한, 최적화 알고리즘에 비하여 굉장히 낮은 복잡도를 가지며 준수한 성능을 내는 저복잡도 에너지 소모량 최소화 알고리즘을 제안한다.The technical problem to be achieved by the present invention is to minimize the energy consumption of an unmanned aerial vehicle by utilizing intelligent reflective surfaces. In the present invention, a new system model considering the characteristics of the UAV and intelligent reflective surfaces is proposed to achieve the purpose, and an algorithm that optimizes the phase setting values of the intelligent reflective surfaces and the path, speed, and communication time of the UAV based on the proposed model. to effectively minimize the energy consumption of the unmanned aerial vehicle. In addition, we propose a low-complexity energy consumption minimization algorithm that has a very low complexity compared to the optimization algorithm and produces satisfactory performance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인항공기 다운링크 통신 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is a diagram schematically illustrating an unmanned aerial vehicle downlink communication system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 개의 수신 장치(120)를 W개의 지능형 반사 표면(130)의 보조를 통해 지원하는 무인항공기 다운링크 통신 시스템을 나타낸다.Referring to Figure 1, An unmanned aerial vehicle downlink communication system supporting two receiving devices 120 through the assistance of W intelligent reflective surfaces 130 is shown.

이러한 환경에서 무인항공기(110)는 수평 공간에서 자유롭게 움직일 수 있으며, 시간 에서의 위치는 이다. 그리고, 번째 수신 장치(120)의 위치와 번째 지능형 반사 표면(130)의 위치는 각각 , 이며, 무인항공기(110), 번째 수신 장치(120), 번째 지능형 반사 표면(130)의 고도 및 높이는 각각 이다. In this environment, the unmanned aerial vehicle 110 can move freely in a horizontal space, and the location in am. and, The location of the first receiving device 120 and The positions of the third intelligent reflective surface 130 are respectively , And, the unmanned aerial vehicle (110), th receiving device 120, The elevation and height of the third intelligent reflective surface 130 are respectively am.

무인항공기(110)는 rotary-wing 모델을 사용한다고 가정하며, 이에 따라 전력 사용 모델은 기존에 알려진 모델을 아래와 같이 사용한다.It is assumed that the unmanned aerial vehicle 110 uses a rotary-wing model, and accordingly, a previously known model is used as a power use model as follows.

[수학식 1][Equation 1]

여기서, 는 무인항공기의 속력이며, 나머지 변수들은 무인항공기의 구조에 의해 결정된다. 이에 무인항공기에서 사용하는 전체 에너지는 아래와 같이 표현할 수 있다.here, is the speed of the UAV, and the remaining variables are determined by the structure of the UAV. Therefore, the total energy used by the unmanned aerial vehicle can be expressed as follows.

[수학식 2][Equation 2]

이 때, 는 각각 무인항공기의 통신 시간, 송신 전력, 비행 시간이다. At this time, are the communication time, transmit power, and flight time of the UAV, respectively.

시스템의 무인항공기, 지능형 반사 표면, 수신 장치 사이의 채널은 아래와 같이 나타낼 수 있다.The channel between the drone, the intelligent reflective surface, and the receiving device in the system can be represented as:

[수학식 3][Equation 3]

, ,

. .

여기서, , ,는 각각 무인항공기에서 번째 지능형 반사 표면, 번째 지능형 반사 표면에서 번째 수신 장치, 무인항공기에서 번째 수신 장치 사이의 채널이다. 또한, 는 단위거리에서의 전파 감쇄이며, 는 각각 장치 사이의 거리, 경로 감쇄 지수, small-scale fading factor이다. 이 때, 는 Rician 분포를 따르며, 각 경로 사이의 -factor은 의 값을 가진다.here, , , are respectively in the unmanned aerial vehicle th intelligent reflective surface, on the second intelligent reflective surface In the second receiving device, unmanned aerial vehicle It is a channel between the first receiving devices. also, is the propagation attenuation in unit distance, are the distance between devices, the path attenuation index, and the small-scale fading factor, respectively. At this time, follows a Rician distribution, and between each path -factor is has a value of

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 방법을 나타내는 흐름도이다.2A is a flowchart illustrating a method for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface according to an embodiment of the present invention. 2B is a flowchart illustrating a method for optimizing a phase setting value of an intelligent reflective surface and a path, speed, and communication time of an unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는 지능형 반사 표면(IRS)을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법은, 무인항공기의 통신 환경에서 복수개의 지능형 반사 표면을 고려한 시스템 모델을 제공하는 단계(S110), 및 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하기 위해 시스템 모델을 기반으로 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 2A , a method for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface (IRS) performed by a computer device according to an embodiment of the present invention includes a plurality of intelligent reflective surfaces in an unmanned aerial vehicle communication environment. providing a system model considering the UAV (S110), and optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the path, speed, and communication time of the UAV based on the system model to minimize the energy consumption of the UAV (S120). ) can be made including.

도 2b를 참조하면, 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계(S120)는, 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정하는 단계(S121), 정보 전달률을 기반으로 최적화 문제를 설계하는 단계(S122), 및 최적화 문제를 푸는 단계(S123)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 2B, the step of optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the route, speed, and communication time of the unmanned aerial vehicle (S120) is the step of calculating the information transfer rate of the receiving device in the communication environment of the unmanned aerial vehicle (S121). , designing an optimization problem based on the information transfer rate (S122), and solving the optimization problem (S123).

여기서, 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정하는 단계(S121)는, 지능형 반사 표면의 위상 설정 값을 산정하는 단계, 산정된 위상 설정 값을 설정하고 신호의 세기를 최대화하여 정보 전달률을 최대화하는 단계, 및 지능형 반사 표면이 수신 장치를 지원할 때의 정보 전달률을 산정하는 단계를 포함할 수 있다. Here, the step of calculating the information transmission rate of the receiving device in the communication environment of the unmanned aerial vehicle (S121) includes calculating the phase setting value of the intelligent reflective surface, setting the calculated phase setting value and maximizing the signal strength to maximize the information transmission rate. maximizing , and calculating the information transfer rate when the intelligent reflective surface supports the receiving device.

본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법은 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치를 예를 들어 설명할 수 있다. A method for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface according to an embodiment of the present invention may be described using an energy efficiency optimizing apparatus for unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface as an example.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치를 나타내는 블록도이다.3 is a block diagram illustrating an energy efficiency optimization device for unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치(300)는 시스템 모델부(310) 및 최적화부(320)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 3 , an apparatus 300 for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface according to an embodiment may include a system model unit 310 and an optimizer 320.

단계(S110)에서, 시스템 모델부(310)는 무인항공기의 통신 환경에서 복수개의 지능형 반사 표면을 고려한 시스템 모델을 제공할 수 있다. In step S110, the system model unit 310 may provide a system model considering a plurality of intelligent reflective surfaces in the communication environment of the unmanned aerial vehicle.

여기서, 무인항공기는 하늘을 이동하는 것으로, 릴레이(relay) 또는 기지국 역할을 할 수 있다. 그리고 지능형 반사 표면은 다수개의 수동소자를 포함하는 평면 장치로 이루어져, 각각의 수동소자가 자신에게 반사되는 전자기파의 위상을 독립적으로 변경할 수 있다. Here, the unmanned aerial vehicle is moving in the sky and may serve as a relay or a base station. Also, the intelligent reflective surface is composed of a planar device including a plurality of passive elements, and each passive element can independently change the phase of an electromagnetic wave reflected on it.

시스템 모델은 probabilistic LoS 모델 기반으로 이루어지며, 무인항공기와 지정된 물체 사이의 LoS 경로가 존재할 확률을 고도각의 함수로 나타내고, 장소의 건물 밀도 및 평균 높이를 포함하는 정보를 이용하여 환경 변수를 설정할 수 있다. 또한, 시스템 모델은 지능형 반사 표면이 위치한 높이를 새로운 유효 지면으로 취급하여 환경 변수를 변화시키도록 설정될 수 있다. 시스템 모델은 지능형 반사 표면의 높이 외에도, 수신 장치의 높이 등 임의의 물체에 대하여 설정할 수 있다.The system model is based on a probabilistic LoS model, expresses the probability that a LoS path exists between an unmanned aerial vehicle and a designated object as a function of altitude angle, and can set environmental variables using information including the density and average height of buildings in a place. there is. In addition, the system model can be set to change environmental variables by treating the height at which the intelligent reflective surface is located as a new valid ground. In addition to the height of the intelligent reflective surface, the system model can be set for any object, such as the height of the receiving device.

단계(S120)에서, 최적화부(320)는 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하기 위해 시스템 모델을 기반으로 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화할 수 있다. In step S120, the optimizer 320 may optimize the phase set value of the intelligent reflective surface, the path, speed, and communication time of the UAV based on the system model in order to minimize the energy consumption of the UAV.

여기서, 최적화부(320)는 정보 전달률 산정부(321), 최적화 문제 설계부(322) 및 최적화 문제 계산부(323)를 포함할 수 있다. Here, the optimization unit 320 may include an information transfer rate calculation unit 321 , an optimization problem design unit 322 , and an optimization problem calculation unit 323 .

단계(S121)에서, 정보 전달률 산정부(321)는 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정할 수 있다. 보다 구체적으로, 정보 전달률 산정부(321)는 지능형 반사 표면의 위상 설정 값을 산정하고, 산정된 위상 설정 값을 설정하고 신호의 세기를 최대화하여 정보 전달률을 최대화하며, 지능형 반사 표면이 수신 장치를 지원할 때의 정보 전달률을 산정할 수 있다. In step S121, the information transmission rate calculation unit 321 may calculate the information transmission rate of the receiving device in the communication environment of the unmanned aerial vehicle. More specifically, the information transmission rate calculation unit 321 calculates the phase setting value of the intelligent reflective surface, sets the calculated phase setting value and maximizes the signal strength to maximize the information transmission rate, and the intelligent reflective surface determines the receiving device. Information delivery rate can be calculated when applying.

단계(S122)에서, 최적화 문제 설계부(322)는 정보 전달률을 기반으로 최적화 문제를 설계할 수 있다. In step S122, the optimization problem design unit 322 may design an optimization problem based on the information transfer rate.

그리고, 단계(S123)에서, 최적화 문제 계산부(323)는 최적화 문제를 풀 수 있다.Then, in step S123, the optimization problem calculation unit 323 may solve the optimization problem.

한편, 최적화 기법은 지능형 반사 표면을 동시에 전부 활용할 때와, 하나씩 활용할 때의 경우로 나눌 수 있다.On the other hand, the optimization technique can be divided into a case of utilizing all of the intelligent reflective surfaces at the same time and a case of utilizing one by one.

일례로, 최적화부(320)는 복수개의 지능형 반사 표면을 동시에 사용하여 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. 즉, 최적화부(320)는 복수개의 지능형 반사 표면을 동시에 사용할 때의 최적화 문제를 설계하여 이를 해결함으로써, 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. For example, the optimizer 320 may minimize energy consumption of the unmanned aerial vehicle by simultaneously using a plurality of intelligent reflective surfaces. That is, the optimizer 320 may minimize the energy consumption of the unmanned aerial vehicle by designing and solving an optimization problem when a plurality of intelligent reflective surfaces are simultaneously used.

다른 예로, 최적화부(320)는 한 순간에 하나의 지능형 반사 표면을 사용하여 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다. 즉, 최적화부(320)는 한 순간에 하나의 지능형 반사 표면을 사용할 때의 최적화 문제를 설계하여 이를 해결함으로써, 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화할 수 있다.As another example, the optimizer 320 may use one intelligent reflective surface at a time to minimize energy consumption of the unmanned aerial vehicle. That is, the optimizer 320 can minimize energy consumption of the unmanned aerial vehicle by designing and solving an optimization problem when using one intelligent reflective surface at a time.

또한, 이러한 최적화 알고리즘에 비하여 굉장히 낮은 복잡도를 가지며 준수한 성능을 내는 저복잡도 에너지 소모량 최소화 알고리즘을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a low-complexity energy consumption minimization algorithm that has a very low complexity compared to these optimization algorithms and produces satisfactory performance.

아래에서 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법 및 장치를 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method and apparatus for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface performed by a computer device according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

시스템 모델system model

MmWave의 특징에 의해 해당 대역폭의 신호는 건물 등의 장애물을 만나면 큰 손실이 일어난다. 이 때, 무인항공기를 통해 이동하면서 통신을 하면 건물 등에 의해 손실이 일어나는 상황들도 있는데, 이를 효과적으로 반영한 것이 probabilistic LoS 모델이다. 이 모델은 무인항공기와 지정된 물체 사이의 LoS 경로가 존재할 확률을 고도각의 함수로 나타내며, 장소의 건물 밀도 및 평균 높이 등의 정보를 이용하여 환경 변수를 설정한다. 하지만, 기존의 probabilistic LoS 모델은 무인항공기의 고도만을 고려하며, 지정된 물체의 높이는 고려하지 않는다. Due to the characteristics of MmWave, a large loss occurs when a signal of the corresponding bandwidth encounters an obstacle such as a building. At this time, there are situations where loss occurs due to buildings when communicating while moving through an unmanned aerial vehicle, and the probabilistic LoS model effectively reflects this. This model expresses the probability of existence of a LoS path between an unmanned aerial vehicle and a designated object as a function of altitude angle, and sets environmental variables using information such as the density and average height of buildings in a place. However, the existing probabilistic LoS model only considers the altitude of the UAV and does not consider the height of the specified object.

제안하는 모델은 probabilistic LoS 모델을 일반화한 것이며, 높이 위치하는 물체들의 이점을 고려할 수 있는 모델이다. 구체적으로, 높이 위치하는 물체는 LoS 경로의 존재확률이 더 높은 것을 표현하는 모델로 일반화를 진행하여, 이를 이용해 건물 외벽 등에 높게 설치된 지능형 반사 표면의 이점을 표현한다. 구체적으로, 지능형 반사 표면이 위치한 높이를 새로운 유효 지면으로 취급하고, 이에 맞춰 환경 변수를 변화시키도록 설정한다. 따라서, 무인항공기와 지능형 반사 표면, 수신 장치와의 LoS 경로 존재 확률은 아래와 같이 나타낼 수 있다.The proposed model is a generalization of the probabilistic LoS model, and is a model that can consider the advantage of objects located high. Specifically, the generalization is performed with a model that expresses a higher LoS path existence probability for objects located high, and using this, the advantage of an intelligent reflective surface installed high on the outer wall of a building is expressed. Specifically, the height at which the intelligent reflective surface is located is treated as a new effective ground, and environmental variables are set to change accordingly. Therefore, the probability of existence of a LoS path between the UAV, the intelligent reflective surface, and the receiving device can be expressed as follows.

[수학식 4][Equation 4]

. .

여기서, 는 환경에 따라 결정되는 환경 변수이며, 는 고도각으로, 로 표현한다. 이 때, 기존 probabilistic LoS 모델과 달리, 환경 변수 에 따른 변수가 되어 유동적으로 상황을 고려한다.here, is an environment variable determined by the environment, is the elevation angle, express it as At this time, unlike the existing probabilistic LoS model, environmental variables go It becomes a variable according to and considers the situation flexibly.

이로 인하여 실제 채널 값은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Due to this, the actual channel value can be expressed as follows.

[수학식 5][Equation 5]

이 때, 는 LoS 경로의 부재로 인한 손실률이다. 이후로 수식 진행의 편의성을 위하여 으로 설정하여 진행한다. 다만, 이더라도 이 기법은 문제없이 진행할 수 있다.At this time, is the loss rate due to the absence of the LoS path. For the convenience of proceeding with the formula thereafter, Set to and proceed. but, Even so, this technique can proceed without problems.

위의 내용을 종합하면 무인항공기와 번째 수신 장치 사이의 채널은 아래와 같이 표현할 수 있다.Combining the above, unmanned aerial vehicles and The channel between the first receiving device can be expressed as follows.

[수학식 6][Equation 6]

여기서, 번째 지능형 반사 표면의 위상 설정 행렬이며, , 와 같이 표현할 수 있다. 이 때, 번째 지능형 반사 표면의 번째 수동소자의 위상 설정 값이다.here, Is is the phase setting matrix of the second intelligent reflective surface, , can be expressed as At this time, Is second intelligent reflective surface It is the phase setting value of the th passive element.

마지막으로, 해당 통신 시스템은 Time-Division Multiple Access(TDMA) 기법을 이용한다고 가정하며, 이에 따라 번째 수신 장치의 정보 전달률은 아래와 같이 나타낼 수 있다.Finally, it is assumed that the communication system uses the Time-Division Multiple Access (TDMA) technique, and accordingly The information transmission rate of the th receiving device can be expressed as follows.

[수학식 7][Equation 7]

여기서, 는 사용 가능한 대역폭이며, 은 주파수 대역에서의 백색 소음 전력 밀도이다.here, is the available bandwidth, is the white noise power density in the frequency band.

최적화 알고리즘optimization algorithm

제안하는 최적화 기법은 총 두 가지로, 지능형 반사 표면을 동시에 전부 활용할 때와, 하나씩 활용할 때의 경우로 나눌 수 있다. 두 가지 문제는 모두 지능형 반사 표면의 위상 설정 값, 무인항공기의 속도, 경로, 통신 시간을 최적화한다. 이 때, 문제의 tractability를 위하여 총 두 가지 가정을 한다. 첫 번째로, 채널의 무작위성을 없애기 위해 순간 채널 대신 채널의 기댓값을 사용하며, 두 번째로, [수학식 4]의 복잡한 형태를 다루기 위하여 무인항공기와 물체의 고도각이 상수라고 가정한다. 참고로, 고도각을 상수로 가정하여도, 시스템 모델은 물체 높이의 이점을 고려하는 특징을 그대로 유지한다.The proposed optimization technique can be divided into two types: when all intelligent reflective surfaces are used simultaneously and when used one by one. Both problems optimize the phase setpoint of the intelligent reflective surface, the drone's speed, route and communication time. At this time, a total of two assumptions are made for the tractability of the problem. First, the expected value of the channel is used instead of the instantaneous channel to eliminate the randomness of the channel. Second, it is assumed that the elevation angle of the unmanned aerial vehicle and the object is constant in order to deal with the complex form of [Equation 4]. For reference, even if the elevation angle is assumed to be a constant, the system model maintains the feature of considering the advantage of the object height.

본 발명에서는 TDMA 기법을 사용하고 있기 때문에, 각 순간에 하나의 수신 장치와 통신을 진행한다. 이로 인해 지능형 반사 표면의 위상 설정 값을 closed-form으로 계산할 수 있으며, 번째 지능형 반사 표면이 번째 수신 장치를 지원한다고 가정하였을 때 번째 지능형 반사 표면의 번째 수동소자는 아래와 같은 위상 설정 값을 가질 수 있다.Since the present invention uses the TDMA technique, communication is performed with one receiving device at each moment. This makes it possible to calculate the phase setpoint of an intelligent reflective surface in closed-form. second intelligent reflective surface Assuming that the second receiving device is supported second intelligent reflective surface The th passive element may have the following phase setting values.

[수학식 8][Equation 8]

여기서, 는 각각 번째 항이다. here, are respectively of is the second term

따라서 [수학식 8]을 이용해 위상 값을 설정하면, 신호의 세기를 최대화하여 정보 전달률을 optimal하게 최대화한다.Therefore, if the phase value is set using [Equation 8], the signal intensity is maximized to optimally maximize the information transfer rate.

채널을 수식적으로 간단하게 표현하기 위해, w 번째 지능형 반사 표면만 번째 수신 장치를 보조한다고 가정하였을 때 상태 변수를 아래와 같이 정의할 수 있다.To simplify the expression of the channel mathematically, only the wth intelligent reflective surface Assuming that the second receiving device is assisted, the state variable can be defined as follows.

[수학식 9][Equation 9]

이 때, 일 때에는 해당 채널의 LoS 경로가 존재한다는 것이고, 일 때에는 채널의 LoS 경로가 존재하지 않는다는 뜻이다. 이후, 상태 변수와 Jensen's inequality를 활용하면 번째 수신 장치가 번째 지능형 반사 표면만을 사용했을 때의 정보 전달률 기댓값은 아래와 같이 근사할 수 있다.At this time, If , it means that the LoS path of the corresponding channel exists. When , it means that the channel's LoS path does not exist. Then, using state variables and Jensen's inequality, second receiving device The expected value of the information transmission rate when only the second intelligent reflective surface is used can be approximated as follows.

[수학식 10][Equation 10]

여기서, 로 이루어진 길이 의 벡터 를 의미하며, 는 채널들의 상태를 고려한 무인항공기와 번째 수신 장치 사이의 채널을 표현한다. [수학식 10]을 보면, 을 계산하면 를 closed-form으로 계산할 수 있는 것을 확인할 수 있다.here, Is class length consisting of vector of means, UAV considering the state of the channels and Represents a channel between the first receiving device. Looking at [Equation 10], If you calculate can be calculated in closed-form.

이후, central limit theorem 등의 수학적 기법을 이용하여, 번째 지능형 반사 표면이 번째 수신 장치를 지원할 때의 정보 전달률을 아래와 같이 유도할 수 있다.Then, using mathematical techniques such as the central limit theorem, second intelligent reflective surface The information transfer rate when supporting the th receiving device can be derived as follows.

[수학식 11][Equation 11]

여기서, 전체 signal-to-noise ratio(SNR)은 아래와 같이 표현할 수 있다.Here, the overall signal-to-noise ratio (SNR) can be expressed as follows.

[수학식 12][Equation 12]

여기서, 시간과 독립적인 값들인 은 아래와 같이 정의할 수 있다.Here, the time-independent values and can be defined as below.

[수학식 13] [Equation 13]

여기서, -factor이 인 Rician 분포의 평균값이며, 이다. here, Is -factor is the mean value of the Rician distribution, am.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하나의 지능형 반사 표면이 있을 때의 실제 정보 전달률과 근사한 정보 전달률을 나타내는 도면이다.4 is a diagram showing an actual information transmission rate and an approximate information transmission rate when there is one intelligent reflective surface according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 하나의 지능형 반사 표면이 있을 때의 실제 정보 전달률과 근사한 정보 전달률을 나타내며, 여기서, 수신 장치는 250m에 위치하고 지능형 반사 표면은 245m에 위치한다.Referring to Fig. 4, an actual information transmission rate and an approximate information transmission rate when there is one intelligent reflective surface are shown, where the receiving device is located at 250m and the intelligent reflective surface is located at 245m.

하나의 수신 장치와 지능형 반사 표면이 있는 환경에서, 근사한 정보 전달률과 실제 정보 전달률 사이의 차이가 굉장히 작은 것을 볼 수 있으며, 이로 인해 실제 값 대신 근사값을 사용해도 무방한 것을 알 수 있다. In an environment with one receiving device and an intelligent reflective surface, it can be seen that the difference between the approximate information transfer rate and the actual information transfer rate is very small, so it is safe to use the approximate value instead of the actual value.

마지막으로, 위 예시는 하나의 지능형 반사 표면이 수신 장치를 지원하는 상황이지만, 임의의 개수의 지능형 반사 표면을 가정할 수 있으며, 다른 예시로 모든 지능형 반사 표면이 수신 장치를 지원하는 상황은 상태 변수인 과 같이 확장하여 같은 방식으로 유도할 수 있다.Finally, while the example above is a situation where one intelligent reflective surface supports a receiving device, any number of intelligent reflective surfaces can be assumed, as another example a situation where all intelligent reflective surfaces support a receiving device is a state variable. person cast It can be derived in the same way by extending it as

이제부터는 유도한 정보 전달률을 기반으로, 최적화 문제를 설계한다. 이 때, 수식을 정의하기에 앞서, 무한 개의 변수를 피하기 위해 시간 변수를 이산화(discretize) 한다. From now on, the optimization problem is designed based on the information transfer rate derived. At this time, prior to defining the expression, the time variable is discretized to avoid an infinite number of variables.

본 발명에서는 path discretization 기법을 사용하며, 이를 통해 전체 경로를 개의 분절로 나누어 진행한다. 우선, 모든 지능형 반사 표면을 동시에 사용하는 상황을 가정하면, 최적화 문제는 아래와 같이 표현할 수 있다.In the present invention, a path discretization technique is used, and through this, the entire path It proceeds by dividing it into segments. First, assuming a situation in which all intelligent reflective surfaces are used simultaneously, the optimization problem can be expressed as follows.

[수학식 14][Equation 14]

여기서, 은 각각 번째 분절에서의 무인항공기 위치, 비행 시간, 속력이며, 는 각각 번째 분절에서 번째 수신 장치와의 통신 시간과 정보 전달률이다. 또한, 는 각각 번째 수신 장치가 요청하는 정보량과 무인항공기의 최대 속력이다. 마지막으로, 은 각각 무인항공기의 시작 지점과 종결지점, 그리고 번째 분절의 길이이다. 이 때, path discretization 기법의 하나의 특징으로, 각 분절 내의 길이가 충분히 짧게 하여 채널을 상수로 가정할 수 있도록 한다. 이 조건을 맞추기 위해 를 정의하여 분절의 길이를 짧게 제한한다. here, are respectively Position, flight time, and speed of the UAV in the second segment, are respectively in the second segment It is the communication time and information transfer rate with the second receiving device. also, are respectively It is the amount of information requested by the second receiving device and the maximum speed of the unmanned aerial vehicle. finally, are the start and end points of the UAV, respectively, and is the length of the second segment. At this time, as one characteristic of the path discretization technique, the length within each segment is sufficiently short so that the channel can be assumed to be constant. to meet this condition is defined to limit the segment length to short.

[수학식 14]에서 (P1)의 문제 형태는 볼록 최적화 문제의 꼴을 만족하지 않아 직접적으로 풀어낼 수 없지만, 여유 변수(slack variable)를 이용하여 본 제안에서는 아래와 같은 최적화 문제를 유도하고, 유도한 문제를 통해 [수학식 14]에서 (P1)의 솔루션(solution)을 구한다.In [Equation 14], the form of the problem (P1) cannot be directly solved because it does not satisfy the form of the convex optimization problem, but the following optimization problem is induced in this proposal using a slack variable, and A solution of (P1) is obtained in [Equation 14] through one problem.

[수학식 15][Equation 15]

이 때, 는 여유 변수(slack variable)이며, 이다. 또한, 은 최적화 문제 반복 횟수이며, 번째 최적화 문제를 푼 결과를 대입한 것이다. 나머지 변수들은 아래와 같이 정의할 수 있다.At this time, is a slack variable, am. also, is the number of iterations of the optimization problem, silver This is the result of solving the second optimization problem. The remaining variables can be defined as follows.

[수학식 16][Equation 16]

마지막으로, 은 [수학식 11]의 거리 값 를 각각 여유 변수(slack variable) 로 치환한 값이다.finally, of [Equation 11] distance value each slack variable is the value replaced by

본 제안에서는 Successive Convex Approximation(SCA) 기법과 수학적 유도를 이용하여 [수학식 15]에서 (P2)의 문제를 반복적으로 풀게 되면, 결과가 [수학식 14]에서 (P1) 문제의 local optimum으로 수렴하는 것을 증명하였으며, [표 1]에서 종합적인 알고리즘을 확인할 수 있다.In this proposal, when the problem of (P2) in [Equation 15] is repeatedly solved using the Successive Convex Approximation (SCA) technique and mathematical derivation, the result converges to the local optimum of the problem in [Equation 14] (P1). [Table 1] shows the comprehensive algorithm.

[표 1]은 모든 지능형 반사 표면을 활용할 때의 무인항공기 에너지 소모량 최소화 알고리즘을 나타낸다.[Table 1] shows the UAV energy consumption minimization algorithm when using all intelligent reflective surfaces.

[표 1][Table 1]

두 번째로, 한 순간에 하나의 지능형 반사 표면을 활용하는 상황에서는 문제를 아래와 같이 표현할 수 있다.Second, in situations where one intelligent reflective surface is being utilized at a time, the problem can be expressed as:

[수학식 17][Equation 17]

이 때, 번째 분절에서 번째 수신 장치를 번째 지능형 반사 표면을 활용하여 지원했을 때의 정보 전달률이며, [수학식 17]에서 (1) 제약(constraint)을 통해 가장 좋은 지능형 반사 표면을 하나씩 골라 통신하는 것을 알 수 있다.At this time, Is in the second segment second receiving device It is the information transmission rate when supported using the th intelligent reflective surface, and it can be seen from [Equation 17] that the best intelligent reflective surface is selected and communicated through (1) constraint.

이 때, [수학식 17]에서 (1) 제약(constraint)은 아래의 제약(constraint)들로 동일하게 표현할 수 있다.In this case, the (1) constraint in [Equation 17] can be equally expressed as the following constraints.

[수학식 18][Equation 18]

여기서, 번째 분절에서 번째 수신 장치를 번째 지능형 반사 표면을 활용하여 지원했을 때의 통신 시간이다.here, Is in the second segment second receiving device This is the communication time when assisted by utilizing the second intelligent reflective surface.

마지막으로, [수학식 17]에서 (1)을 [수학식 18]로 변경한 [수학식 17]에서 (P3)를 푸는 것은 [수학식 14]에서 (P1)을 풀었을 때와 같은 방식으로 풀 수 있다.Finally, solving (P3) in [Equation 17], where (1) in [Equation 17] is changed to [Equation 18], is the same as solving (P1) in [Equation 14]. can be solved

저복잡도 알고리즘low complexity algorithm

마지막 기법으로는, 최적화 기법을 사용하지 않아 저복잡도로 작동할 수 있는 무인항공기 에너지 최소화 알고리즘을 제안한다. 제안하는 방식은 한 순간에 하나의 지능형 반사 표면을 활용한다. As a last technique, we propose an UAV energy minimization algorithm that can operate with low complexity without using optimization techniques. The proposed method utilizes one intelligent reflective surface at a time.

우선, 각 수신 장치에게 가장 가까운 지능형 반사 표면을 묶으며, 1-dimensional search를 통해 수신 장치와 묶인 지능형 반사 표면 사이의 직선에서 정보 전달률이 가장 높은 지점 를 구한다. 그 후, 시작 지점 와 종결 지점 를 이은 직선을 임시 경로(toy trajectory)라고 지정한다. 이후, 에서 임시 경로와 가장 가까운 지점을 로 지정한다.First, the intelligent reflective surface closest to each receiving device is grouped, and through 1-dimensional search, the point with the highest information transfer rate on a straight line between the receiving device and the intelligent reflective surface bound together save After that, the starting point and ending point The straight line that connects is designated as a toy trajectory. after, point closest to the temporary route in designate as

우선, 무인항공기가 임시 경로를 단위 거리 당 최소의 에너지를 사용하는 속력 로 이동하며, 모든 수신 장치에 같은 시간 동안 통신()한다고 가정하여 시뮬레이션을 진행한다. 시뮬레이션을 통해 각 수신 장치에게 도달할 수 있는 정보량을 계산할 수 있으며, 이는 아래와 같이 표현할 수 있다.First of all, the speed at which the unmanned aerial vehicle uses the least energy per unit distance along the temporary path and communicates for the same time to all receiving devices ( ), the simulation proceeds. Through simulation, it is possible to calculate the amount of information that can reach each receiving device, which can be expressed as follows.

[수학식 19][Equation 19]

여기서, 번째 수신 장치에게 도달한 정보량을 에 대해 정규화(normalize) 했을 때의 값이다. 이 때, 이면, 임시 경로를 실제 경로로 이용하여 통신을 바로 진행할 수 있다. 만약 인 수신 장치가 존재한다면, 새로운 통신 위치를 아래와 같이 정의할 수 있다.here, Is The amount of information reaching the first receiving device This is the value when normalized for . At this time, , communication can proceed immediately by using the temporary route as the actual route. if If there is a receiving device, a new communication location can be defined as follows.

[수학식 20][Equation 20]

여기서, 이며, 사이의 내적점을 찾아주는 임의의 함수이다. 는 상황에 맞게 설정할 수 있는 설계 매개변수(design parameter)로, 본 제안에서는 실제 적용 사례를 보여주기 위해 로 정의한다.here, is, Is and It is an arbitrary function that finds the dot product between is a design parameter that can be set according to the situation, and in this proposal, to show an actual application case, is defined as

통신 위치를 [수학식 20]과 같이 정의하면, 새로운 경로는 을 최소한의 이동거리로 이동할 수 있도록 Travelling Salesman Problem(TSP)를 풀어 설정한다. 마지막으로, 새로운 경로에 따라 속력 로 이동을 하고 에 일시적으로 정지하며, 이동할 때와 정지한 순간에 통신을 진행한다. If the communication location is defined as in [Equation 20], the new path is Set by solving the Traveling Salesman Problem (TSP) so that can be moved with the minimum distance. Finally, the speed along the new path move to is temporarily stopped, and communication proceeds when moving and at the moment of stopping.

보다 구체적으로 이동할 때의 전달 가능한 정보량을 미리 계산하여, 남은 정보량은 에서 정지하여 통신한다. 결론적으로, 저복잡도 알고리즘은 에서 출발하여, 을 최단거리로 이동하며 통신을 하고, 마지막으로 에 도달한다. [표 2]에서 종합적인 알고리즘을 확인할 수 있다.More specifically, by pre-calculating the amount of information that can be delivered when moving, the amount of remaining information is Stop at and communicate. In conclusion, the low-complexity algorithm is starting from move the shortest distance and communicate, and finally reach A comprehensive algorithm can be found in Table 2.

[표 2]는 무인항공기의 에너지 소모량 최소화 저복잡도 알고리즘을 나타낸다.[Table 2] shows a low-complexity algorithm for minimizing the energy consumption of an unmanned aerial vehicle.

[표 2][Table 2]

성능 비교Performance Comparison

성능 비교를 위해 지능형 반사 표면이 없는 상황을 구현하였으며, 이는 그래프에서 No IRS로 표기하였다. 또한, 모든 지능형 반사 표면을 동시에 활용하는 최적화 기법, 한 순간에 하나의 지능형 반사 표면을 활용하는 최적화 기법, 저복잡도 기법을 각각 General IRS, IRS matching, Low complexity로 표기한다. 또한, 수신 장치와 지능형 반사 표면은 각각 원과 다이아몬드로 표기하며, 이다.For performance comparison, a situation without an intelligent reflective surface was implemented, which is indicated as No IRS in the graph. In addition, optimization techniques that utilize all intelligent reflective surfaces at the same time, optimization techniques that utilize one intelligent reflective surface at a time, and low-complexity techniques are marked as General IRS, IRS matching, and Low complexity, respectively. In addition, the receiving device and the intelligent reflective surface are marked with a circle and a diamond, respectively; am.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 장치의 요청 정보량에 따른 무인항공기 경로를 나타내는 도면이다.5 is a diagram illustrating an unmanned aerial vehicle path according to an amount of information requested by a receiving device according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 모든 기법들에 대해 무인항공기의 경로를 비교하였다. 결과를 확인하면 낮은 정보량을 요청했을 때에는 모두 종결지점으로 바로 이동하였고, 높은 정보량을 요청할 때에는 각기 다르게 행동하는 것을 볼 수 있다. 이는 낮은 정보량을 요청하면, 정보량은 쉽게 만족할 수 있으므로 최대한 빠른 경로로 이동하는 것이 최적인 것으로 해석할 수 있고, 높은 정보량을 요청할 때에는 무인항공기가 높은 정보 전달률로 통신하기 위해 이동 경로의 손해를 감수하더라도 수신 장치에 가깝게 이동하는 것으로 해석할 수 있다. 또한, 각 기법마다 행동양식이 다른 것으로 보아, 통신 조건에 따라 다른 전략을 채택해야 하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5 , paths of unmanned aerial vehicles were compared for all techniques. If you check the results, you can see that all of them moved directly to the end point when a low amount of information was requested, and each acted differently when a high amount of information was requested. This can be interpreted as the optimal way to move on the fastest path possible when a low amount of information is requested, since the amount of information can be easily satisfied. It can be interpreted as moving closer to the receiving device. In addition, since the behavior pattern is different for each technique, it can be confirmed that different strategies should be adopted according to communication conditions.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 장치의 요청 정보량에 따른 무인항공기의 에너지 소모량을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating energy consumption of an unmanned aerial vehicle according to an amount of information requested by a receiving device according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 수신 장치의 요청 정보량에 따른 무인항공기의 에너지 소모량을 확인할 수 있다. 우선적으로 확인할 수 있는 점은, 비교 대상인 No IRS에 비하여 제안한 기법이 모두 성능이 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. 다만, 간단하게 설정한 에 의해 낮은 정보량 범위에서는 Low complexity의 성능 저하가 있는 것을 확인할 수 있다. General IRS의 경우 모든 지능형 반사 표면을 사용했기 때문에 lower bound의 역할을 하는 것을 볼 수 있고, IRS matching의 경우에도 성능 저하가 General IRS에 비해 굉장히 적은 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6 , it is possible to check the energy consumption of the unmanned aerial vehicle according to the amount of information requested by the receiving device. First of all, it can be confirmed that the performance of all proposed techniques is significantly higher than No IRS, which is the target of comparison. However, simply set It can be confirmed that there is a performance degradation of low complexity in the low information amount range. In the case of General IRS, since all intelligent reflective surfaces were used, it can be seen that it serves as a lower bound, and even in the case of IRS matching, it can be seen that the performance degradation is very small compared to General IRS.

이를 통해 무인항공기의 에너지 소모량을 줄이기 위해 지능형 반사 표면을 활용하는 것은 굉장히 효과적인 것을 검증하였다.Through this, it was verified that the use of intelligent reflective surfaces to reduce the energy consumption of unmanned aerial vehicles is very effective.

본 발명의 실시예들에 따르면 무선 통신 시스템에서 각광 받는 무인항공기 기술과 지능형 반사 표면 기술을 활용하였다. 구체적으로는, 무인항공기 통신의 한계점인 에너지 소모량을 보완하기 위해 지상의 지능형 반사 표면을 효과적으로 활용하여, 무인항공기의 에너지 소모량을 현격히 낮추는 기술을 제공하였다.According to embodiments of the present invention, unmanned aerial vehicle technology and intelligent reflective surface technology, which are popular in wireless communication systems, are utilized. Specifically, in order to compensate for energy consumption, which is a limitation of unmanned aerial vehicle communication, we have provided a technology that significantly lowers the energy consumption of unmanned aerial vehicles by effectively utilizing intelligent reflective surfaces on the ground.

본 발명의 실시예들은 무인항공기를 기지국으로 활용하는 통신 시스템에 대해 접목이 가능하며, 임의의 개수의 지능형 반사 표면이나 수신 장치 수에 대해 접목 가능하다. 특히, 지능형 반사 표면의 값싼 비용 덕분에 대중화가 진행된다면 높은 효율을 낼 수 있을 것이다. 또한, 실시예들은 낮은 복잡도로 에너지를 낮추는 기법에 제시되어 미래에 지능형 반사 표면이 도입되면 차용될 가능성이 있다.Embodiments of the present invention can be applied to a communication system using an unmanned aerial vehicle as a base station, and can be applied to any number of intelligent reflective surfaces or receiving devices. In particular, due to the low cost of intelligent reflective surfaces, high efficiency will be achieved if popularization proceeds. In addition, the embodiments are presented in a low-complexity, low-energy technique, which is likely to be borrowed when an intelligent reflective surface is introduced in the future.

이상과 같이, 본 발명의 실시예에서는 다수의 지능형 반사 표면들을 활용하여 무인항공기 통신 시스템에서 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하는 기법을 세 가지 제안하였다. 이 때, 본 발명의 실시예들은 지능형 반사 표면의 높이를 표현할 수 있도록 probabilistic LoS 모델을 일반화하였으며, 이를 활용하여 다수의 지능형 반사 표면을 활용하면 무인항공기의 에너지 소모량을 크게 낮출 수 있는 것을 확인하였다. As described above, in the embodiment of the present invention, three techniques for minimizing energy consumption of an unmanned aerial vehicle in an unmanned aerial vehicle communication system using a plurality of intelligent reflective surfaces have been proposed. At this time, the embodiments of the present invention generalized the probabilistic LoS model to express the height of the intelligent reflective surface, and it was confirmed that the energy consumption of the unmanned aerial vehicle can be greatly reduced by utilizing a plurality of intelligent reflective surfaces.

구체적으로는, 다수의 지능형 반사 표면을 동시에 활용하여 무인항공기의 에너지 소모량을 낮추는 최적화 기법을 제안하였고, 이어서 다수의 지능형 반사 표면을 실시간으로 하나씩 활용하며 에너지 소모량을 낮추는 최적화 기법을 제안하였다. 마지막으로는 최적화 기법과 성능이 비교 가능한 저복잡도 기법을 제안하였다. 이는 무인항공기 통신의 구현 한계점 중 하나인 에너지 소모량을 보완할 수 있다.Specifically, an optimization technique to reduce the energy consumption of an unmanned aerial vehicle by simultaneously utilizing multiple intelligent reflective surfaces was proposed, followed by an optimization technique to reduce energy consumption by utilizing multiple intelligent reflective surfaces one by one in real time. Finally, we proposed a low-complexity technique whose performance is comparable to that of the optimization technique. This can supplement energy consumption, which is one of the implementation limitations of unmanned aerial vehicle communication.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The devices described above may be implemented as hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. A processing device may run an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of software. For convenience of understanding, there are cases in which one processing device is used, but those skilled in the art will understand that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it can include. For example, a processing device may include a plurality of processors or a processor and a controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, which configures a processing device to operate as desired or processes independently or collectively. The device can be commanded. Software and/or data may be any tangible machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, intended to be interpreted by or provide instructions or data to a processing device. can be embodied in Software may be distributed on networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer readable media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. Program commands recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. - includes hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, as well as machine language codes such as those produced by a compiler.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

Claims (15)

컴퓨터 장치에 의해 수행되는 지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법에 있어서,
무인항공기의 통신 환경에서 복수개의 지능형 반사 표면을 고려한 시스템 모델을 제공하는 단계; 및
상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하기 위해 상기 시스템 모델을 기반으로 상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계
를 포함하고,
상기 시스템 모델을 제공하는 단계는
상기 무인 항공기와 지정된 물체 사이의 LoS(Line of Sight) 경로가 존재할 확률을 고도각의 함수로 나타냄으로써 상기 시스템 모델을 제공하는 것을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법
In the energy efficiency optimization method of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflecting surface (IRS) performed by a computer device,
providing a system model considering a plurality of intelligent reflective surfaces in a communication environment of an unmanned aerial vehicle; and
Optimizing a phase setting value of the intelligent reflective surface and a path, speed, and communication time of the UAV based on the system model to minimize energy consumption of the UAV
including,
Providing the system model
Energy efficiency optimization of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, characterized in that the system model is provided by expressing the probability that a line of sight (LoS) path exists between the unmanned aerial vehicle and a designated object as a function of elevation angle method
제1항에 있어서,
상기 무인항공기는,
릴레이(relay) 또는 기지국 역할을 하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법.
According to claim 1,
The unmanned aerial vehicle,
Acting as a relay or base station
A method for optimizing the energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, characterized by
제1항에 있어서,
상기 지능형 반사 표면은,
다수개의 수동소자를 포함하는 평면 장치로 이루어져, 각각의 상기 수동소자가 반사되는 전자기파의 위상을 독립적으로 변경하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법.
According to claim 1,
The intelligent reflective surface,
It consists of a flat device including a plurality of passive elements, and each of the passive elements independently changes the phase of reflected electromagnetic waves.
A method for optimizing the energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, characterized by
제1항에 있어서,
상기 시스템 모델은,
probabilistic LoS 모델 기반으로 이루어지며, 장소의 건물 밀도 및 평균 높이를 포함하는 정보를 이용하여 환경 변수를 설정하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법.
According to claim 1,
The system model is
Based on a probabilistic LoS model, setting environmental variables using information including the density and average height of buildings in a place
A method for optimizing the energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, characterized by
제4항에 있어서,
상기 시스템 모델은,
상기 지능형 반사 표면이 위치한 높이, 수신 장치의 높이 및 임의의 물체에 대해 설정된 높이 중 적어도 어느 하나 이상을 새로운 유효 지면으로 취급하여 상기 환경 변수를 변화시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법.
According to claim 4,
The system model is
The intelligent reflective surface is set to change the environmental variable by treating at least one of the height at which the intelligent reflective surface is located, the height of the receiving device, and the height set for an arbitrary object as a new effective ground. Energy Efficiency Optimization Method of Utilized Unmanned Aerial Vehicle Communication.
제1항에 있어서,
상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계는,
상기 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정하는 단계;
상기 정보 전달률을 기반으로 최적화 문제를 설계하는 단계; 및
상기 최적화 문제를 푸는 단계
를 포함하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법.
According to claim 1,
Optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the route, speed, and communication time of the unmanned aerial vehicle,
Calculating an information transmission rate of a receiving device in the communication environment of the unmanned aerial vehicle;
designing an optimization problem based on the information transfer rate; and
Steps to solve the above optimization problem
A method for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, including a.
제6항에 있어서,
상기 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정하는 단계는,
상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값을 산정하는 단계;
산정된 상기 위상 설정 값을 설정하고 신호의 세기를 최대화하여 상기 정보 전달률을 최대화하는 단계; 및
상기 지능형 반사 표면이 수신 장치를 지원할 때의 상기 정보 전달률을 산정하는 단계
를 포함하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법.
According to claim 6,
The step of calculating the information transmission rate of the receiving device in the communication environment of the unmanned aerial vehicle,
Calculating a phase setting value of the intelligent reflective surface;
maximizing the information transfer rate by setting the calculated phase setting value and maximizing signal strength; and
calculating the information transmission rate when the intelligent reflective surface supports a receiving device;
A method for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, including a.
제1항에 있어서,
상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계는,
복수개의 상기 지능형 반사 표면을 동시에 사용하여 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법.
According to claim 1,
Optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the route, speed, and communication time of the unmanned aerial vehicle,
Minimizing energy consumption of the unmanned aerial vehicle by simultaneously using a plurality of the intelligent reflective surfaces.
A method for optimizing the energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, characterized by
제1항에 있어서,
상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 단계는,
한 순간에 하나의 상기 지능형 반사 표면을 사용하여 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 방법.
According to claim 1,
Optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the route, speed, and communication time of the unmanned aerial vehicle,
Minimizing the energy consumption of the unmanned aerial vehicle by using one of the intelligent reflective surfaces at a time.
A method for optimizing the energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, characterized by
지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surface, IRS)을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치에 있어서,
무인항공기의 통신 환경에서 복수개의 지능형 반사 표면을 고려한 시스템 모델을 제공하는 시스템 모델부; 및
상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하기 위해 상기 시스템 모델을 기반으로 상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값과 상기 무인항공기의 경로, 속도 및 통신 시간을 최적화하는 최적화부
를 포함하고,
상기 시스템 모델부는
상기 무인 항공기와 지정된 물체 사이의 LoS(Line of Sight) 경로가 존재할 확률을 고도각의 함수로 나타냄으로써 상기 시스템 모델을 제공하는 것을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치.
In the energy efficiency optimization device of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflecting surface (IRS),
a system model unit providing a system model considering a plurality of intelligent reflective surfaces in an unmanned aerial vehicle communication environment; and
Optimization unit for optimizing the phase setting value of the intelligent reflective surface and the path, speed and communication time of the UAV based on the system model to minimize energy consumption of the UAV
including,
The system model part
Energy efficiency optimization of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, characterized in that the system model is provided by expressing the probability that a line of sight (LoS) path exists between the unmanned aerial vehicle and a designated object as a function of elevation angle Device.
제10항에 있어서,
상기 시스템 모델은,
probabilistic LoS 모델 기반으로 이루어지며, 장소의 건물 밀도 및 평균 높이를 포함하는 정보를 이용하여 환경 변수를 설정하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치.
According to claim 10,
The system model is
Based on a probabilistic LoS model, setting environmental variables using information including the density and average height of buildings in a place
An apparatus for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface.
제10항에 있어서,
상기 최적화부는,
상기 무인항공기의 통신 환경에서 수신 장치의 정보 전달률을 산정하는 정보 전달률 산정부;
상기 정보 전달률을 기반으로 최적화 문제를 설계하는 최적화 문제 설계부; 및
상기 최적화 문제를 푸는 최적화 문제 계산부
를 포함하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치.
According to claim 10,
The optimization unit,
an information transfer rate calculation unit that calculates an information transfer rate of a receiving device in the communication environment of the unmanned aerial vehicle;
an optimization problem designing unit that designs an optimization problem based on the information transfer rate; and
Optimization problem calculation unit for solving the optimization problem
An energy efficiency optimization device for unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface, including a.
제12항에 있어서,
상기 정보 전달률 산정부는,
상기 지능형 반사 표면의 위상 설정 값을 산정하고, 산정된 상기 위상 설정 값을 설정하고 신호의 세기를 최대화하여 상기 정보 전달률을 최대화하며, 상기 지능형 반사 표면이 수신 장치를 지원할 때의 상기 정보 전달률을 산정하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치.
According to claim 12,
The information transfer rate calculation unit,
Calculate the phase setting value of the intelligent reflective surface, set the calculated phase setting value and maximize the signal strength to maximize the information transmission rate, and calculate the information transmission rate when the intelligent reflective surface supports a receiving device to do
An apparatus for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface.
제10항에 있어서,
상기 최적화부는,
복수개의 상기 지능형 반사 표면을 동시에 사용하여 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치.
According to claim 10,
The optimization unit,
Minimizing energy consumption of the unmanned aerial vehicle by simultaneously using a plurality of the intelligent reflective surfaces.
An apparatus for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface.
제10항에 있어서,
상기 최적화부는,
한 순간에 하나의 상기 지능형 반사 표면을 사용하여 상기 무인항공기의 에너지 소모량을 최소화하는 것
을 특징으로 하는, 지능형 반사 표면을 활용한 무인항공기 통신의 에너지 효율 최적화 장치.
According to claim 10,
The optimization unit,
Minimizing the energy consumption of the unmanned aerial vehicle by using one of the intelligent reflective surfaces at a time.
An apparatus for optimizing energy efficiency of unmanned aerial vehicle communication using an intelligent reflective surface.
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