A integração de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs ou UAVs) com a tecnologia de Transferência de Energia Sem Fio (WPT) representa um avanço transformador nos sistemas modernos de entrega de energia, oferecendo flexibilidade e eficiência sem precedentes no fornecimento de energia a dispositivos remotos ou de difícil acesso. Nesse contexto, uma rede de WPT assistida por múltiplos UAVs permite estender a vida útil de dispositivos terrestres (DTs) ao fornecer serviços de WPT. Este processo visa garantir uma distribuição justa de energia entre vários dispositivos, otimizando conjuntamente as trajetórias dos UAVs e o design da potência de transmissão, especialmente para maximizar a energia coletada pelo DT com as condições mais adversas.

A chave para garantir uma distribuição eficiente e equilibrada de energia entre os dispositivos está na otimização das trajetórias dos UAVs, evitando colisões e respeitando as restrições de potência. Para tanto, é necessário levar em consideração vários fatores críticos como o comportamento do canal de comunicação, as limitações de potência e a dinâmica de voo dos UAVs. Em contraste com modelos tradicionais lineares, a adoção de um modelo sofisticado de coleta de energia não linear (EH) proporciona uma representação mais precisa das dinâmicas de conversão de energia. Esse modelo mais realista pode, por exemplo, simular melhor a eficiência da conversão de energia em circuitos reais de coleta de energia, que não se comportam de maneira linear, o que muitas vezes é negligenciado por modelos simplificados.

No entanto, a natureza não convexa do problema original, devido à presença de variáveis interdependentes, apresenta desafios significativos para sua resolução. Para lidar com isso, a introdução de um método de aproximação convexa facilita a transformação do problema em uma série de subproblemas convexos, que podem ser resolvidos de forma iterativa e eficiente. Essa abordagem não só torna o processo de otimização mais prático, mas também garante uma solução de alta qualidade para o design conjunto das trajetórias dos UAVs e a alocação de recursos.

Além da parte técnica e de otimização, é importante notar que a implementação de sistemas de WPT assistidos por UAVs pode ter um impacto profundo em áreas como redes de sensores sem fio (WSNs), Internet das Coisas (IoT) e sistemas de computação de borda móvel (MEC). O uso de UAVs para recarregar dispositivos distribuídos em regiões de difícil acesso não é apenas uma solução técnica, mas também uma estratégia para melhorar a viabilidade de longo prazo de uma série de dispositivos de sensores que, de outra forma, poderiam ter suas funcionalidades comprometidas devido à limitação de energia.

A implementação dessa tecnologia também apresenta uma série de desafios operacionais e logísticos, como a necessidade de garantir uma cobertura adequada e a eficiência do uso de recursos computacionais para controlar o trajeto dos UAVs. Em cenários mais complexos, como redes de comunicação sem fio movidas a energia (WPCN) ou sistemas SWIPT (Transferência Simultânea de Informações e Energia Sem Fio), o planejamento adequado das trajetórias dos UAVs, juntamente com a programação de usuários e o ajuste de antenas direcionais, tornam-se essenciais para a eficácia do sistema.

Além disso, a otimização de trajetórias deve ser realizada levando em consideração os diferentes modelos de canal, como o modelo de linha de visão probabilística (PLoS) para UAVs que operam em altitudes mais baixas, ou o modelo de desvanecimento de Rician, utilizado para UAVs em altitudes mais altas. Esses modelos de canal influenciam diretamente na eficiência do WPT, pois afetam a qualidade da transmissão de energia e a capacidade de coletar energia nos dispositivos de terreno. O uso de tais modelos, portanto, não deve ser subestimado no design de sistemas que buscam maximizar a eficiência da transferência de energia.

É fundamental perceber que, embora os UAVs ofereçam uma grande promessa para a melhoria da distribuição de energia sem fio, as condições variáveis de voo, os obstáculos no ambiente e as características dos dispositivos de recepção exigem uma abordagem dinâmica e adaptativa. O sucesso na implementação de tais sistemas depende de uma análise contínua das condições ambientais e de um controle preciso das trajetórias dos UAVs em tempo real.

Como Funciona a Transferência de Energia Sem Fio Assistida por VANTs em Cenários de Múltiplos Usuários

A tecnologia de Transferência de Energia Sem Fio (WPT, do inglês Wireless Power Transfer) tem se mostrado uma solução inovadora para fornecer energia a dispositivos de baixo consumo que estão localizados em áreas de difícil acesso ou que têm mobilidade limitada. Uma das aplicações mais promissoras dessa tecnologia é o uso de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs, ou UAVs, na sigla em inglês), que operam como fontes móveis de energia, transmitindo energia de forma eficiente para dispositivos energéticos que são chamados de GDs (Gathering Devices, ou Dispositivos de Coleta de Energia). A capacidade dos VANTs de ajustar suas trajetórias e a potência de transmissão durante o voo permite uma entrega de energia otimizada para os GDs, melhorando significativamente a eficiência e a cobertura do sistema WPT.

Em contraste com esta configuração dinâmica, os GDs são dispositivos geralmente estacionários ou com mobilidade restrita, que dependem dos VANTs para a transferência de energia. Estes dispositivos recebem energia por meio de sinais de radiofrequência (RF), que são convertidos em energia DC por meio de um circuito de coleta de energia. A eficiência desse processo de coleta depende de vários fatores, como a distância entre os VANTs e os GDs, bem como da potência de transmissão dos VANTs.

Em um cenário de rede WPT assistida por múltiplos VANTs e múltiplos usuários, diversos VANTs operam simultaneamente, transmitindo energia de forma a atender um conjunto de GDs distribuídos aleatoriamente. Esse tipo de rede é caracterizado por uma grande flexibilidade e escalabilidade, pois os VANTs, como fontes móveis de energia, podem ajustar suas posições e sua potência de transmissão em tempo real, adaptando-se às necessidades de energia dos GDs. Como os VANTs voam a uma altura constante e dentro de um espaço aéreo determinado, a eficiência da transferência de energia está diretamente relacionada ao planejamento das suas trajetórias e à alocação de recursos ao longo do tempo.

A modelagem de tais cenários envolve variáveis complexas. Cada VANT, por exemplo, segue uma trajetória específica desde seu ponto inicial até seu destino final, e deve respeitar diversas restrições. Entre elas, destacam-se o limite de velocidade máxima para evitar movimentos fora das capacidades do VANT e a quantidade de energia que pode ser transmitida durante cada intervalo de tempo. Além disso, a distância mínima entre VANTs precisa ser mantida para garantir a segurança do voo, evitando colisões em espaços aéreos congestionados. Estas restrições são cruciais para garantir que a missão seja cumprida com eficiência e segurança.

Do lado dos GDs, a coleta de energia também é sujeita a um processo não linear, característico dos circuitos de retificação que convertem os sinais RF em energia DC. Ao contrário dos modelos tradicionais que simplificam essa conversão, o modelo adotado neste cenário é baseado em uma abordagem não linear precisa. Isso se deve à operação de retificadores de meia onda que utilizam diodos para converter a RF em energia DC. Esse processo de conversão é influenciado por diversos fatores, como a impedância do circuito de retificação, as características térmicas do diodo e a resistência do dispositivo de armazenamento de energia.

A interação entre os sinais de múltiplos VANTs que transmitem energia simultaneamente para um GD cria um cenário de sobreposição de sinais. A potência DC que um GD pode colher é o resultado da superposição desses sinais, e sua eficiência depende da distância dos VANTs, da intensidade dos sinais transmitidos e das condições do canal de comunicação. A eficiência do sistema de WPT, portanto, não é apenas uma questão de quantos VANTs estão envolvidos, mas também de como a potência é gerenciada e distribuída ao longo do tempo e do espaço.

A modelagem do canal de comunicação entre os VANTs e os GDs assume uma linha de visão direta (LoS, do inglês Line of Sight), o que é válido para cenários em que os VANTs voam a altitudes elevadas e não existem obstruções significativas no caminho. Isso facilita a transmissão do sinal, mas também exige que os VANTs mantenham uma linha de visão clara com os GDs durante toda a operação, ajustando suas posições quando necessário para otimizar a transferência de energia.

Além disso, um modelo não linear de coleta de energia deve ser considerado para refletir a realidade do processo de conversão RF-DC em dispositivos como os GDs. O circuito de retificação, composto por antenas, redes de adaptação, retificadores e filtros de baixa frequência, opera de maneira não linear, o que deve ser refletido na análise do desempenho do sistema. A energia coletada por um GD ao longo de um intervalo de tempo depende diretamente da potência dos sinais RF recebidos, sendo que a relação entre a potência recebida e a potência convertida em energia DC não é linear.

Para melhorar a eficiência e a cobertura do sistema WPT em cenários com múltiplos VANTs, é necessário não apenas otimizar as trajetórias dos VANTs, mas também gerenciar a distribuição de potência e garantir que os VANTs não ultrapassem suas capacidades energéticas. A eficiência da transmissão de energia depende da adequação da potência transmitida, da estabilidade da comunicação entre os VANTs e os GDs, e do controle sobre os fatores que afetam a conversão de energia no lado dos GDs. Com isso, a operação do sistema de WPT não se limita apenas à movimentação dos VANTs, mas também envolve um planejamento cuidadoso da alocação de recursos e da gestão de energia ao longo de todo o ciclo de operação.

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