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基于深度强化学习的智能反射面辅助无人机无线能量传输网络能效优化
Energy Efficiency Optimization in Intelligent Reflecting Surface-Aided UAV Wireless Power Transfer Networks Using DRL
| 作者 | Kimchheang Chhea · Sengly Muy · Jung-Ryun Lee |
| 期刊 | IEEE Transactions on Vehicular Technology |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 无人机网络 智能反射面 能量效率 深度强化学习 无线信息与能量同步传输 |
语言:
中文摘要
较低的生产成本促使人们开展了将无人机(UAV)用于无线通信的研究。然而,无人机的传输功率和尺寸有限,这使得在满足对高数据速率和能量效率(EE)不断增长的需求的同时,使用先进的通信模型颇具挑战。本文研究了一种由智能反射面(IRS)增强的、具备无线信息与能量同步传输(SWIPT)功能的高能效无人机网络,其中IRS用于提高地面用户设备(GUE)的能量效率。目标是通过联合控制无人机的飞行路线、IRS相位转向、无人机传输功率以及能量传输技术的功率分配(PS)比,来最大化平均能量效率。所构建的最大化平均能量效率问题是非凸的,因此难以求解。为解决这一问题,我们提出了一种深度强化学习(DRL)方法。基于预期信干噪比(SINR)图构建了改进的奖励函数,以提高DRL智能体的效率。仿真结果表明,与对比算法相比,所提出的DRL算法实现了更低的能耗、更高的数据速率以及更优的能量效率。
English Abstract
Lower production costs have inspired studies on unmanned aerial vehicles (UAV) for wireless communication. However, limited transmission power and size of the UAV make it challenging to use advanced communication models while meeting the growing need for high data rates and energy efficiency (EE). In this paper, we study an energy-efficient UAV network enhanced by an intelligent reflecting surface (IRS) with simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT), where the IRS is employed to improve the EE of ground user equipment (GUE). The goal is to maximize the average EE by jointly controlling the UAV's flying route, IRS phase steer, UAV transmission power, and power splitting (PS) ratio of the energy transfer technology. The formulated problem of maximizing the average EE is non-convex and thus challenging to be solved. To address this problem, we propose a deep reinforcement learning (DRL) approach. The modified reward function is implemented to enhance the efficiency of the DRL agent, which is formulated based on the expected signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) map. Simulation results demonstrate that the proposed DRL algorithm achieves lower energy consumption, higher data rate, and improved EE compared to the comparison algorithm.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的基于智能反射面(IRS)和深度强化学习的无人机无线能量传输技术,为我们在分布式能源管理和智能运维领域提供了创新思路。
在技术价值层面,该研究的核心亮点在于通过IRS增强无线能量传输效率,这与阳光电源在光伏电站和储能系统的智能监控需求高度契合。当前我们的大型地面电站和分布式光伏项目面临运维人员难以快速到达偏远站点的痛点,而配备无线充电功能的无人机巡检系统可实现设备的持续自主运行。论文中提出的同步无线信息与能量传输(SWIPT)技术,能够让无人机在执行组件热斑检测、逆变器状态监测等任务时,同步为地面传感器节点补充能量,这对构建零碳运维体系具有战略意义。
从应用前景评估,深度强化学习算法对飞行路径、功率分配和相位调控的联合优化,与我们EMS能量管理系统的智能调度理念相通。该技术可集成到阳光电源的智慧能源管理平台,特别是在海上风电、山地光伏等复杂地形场景中,IRS技术能有效应对信号遮挡问题,提升数据采集完整性。
然而技术挑战不容忽视:IRS硬件的环境适应性、DRL算法在实际电磁环境中的鲁棒性、以及与现有SCADA系统的集成复杂度都需要深入验证。建议阳光电源可先在储能电站的无人机巡检场景开展小规模试点,积累工程化经验,逐步探索该技术在氢能制储运监测、充电桩网络优化等新兴业务中的应用潜力,形成差异化的智能运维解决方案。