无人机辅助无线传感网及其节点调度与路径规划功率分配设计方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机辅助无线传感网及其节点调度和路径规划功率分配设计方法，属于无线通信与物联网技术领域。该无人机辅助无线传感网由一个无人机空中基站和K个单天线地面终端节点所组成。本发明专利技术以最小化系统功率消耗为目标，并考虑终端节点的数据传输速率、无人机飞行速度、无人机发射功率约束等条件，以终端节点的调度变量、无人机飞行路径、无人机发射功率变量为参量建立数学优化模型，将混合整数变量的非凸优化问题分解的两个子问题分别转换为其二者对应的上界凸问题，采用块坐标下降法和内点法交替迭代子优化问题，求得一种次优的终端节点调度与无人机飞行路径功率分配参量解。

【技术实现步骤摘要】
无人机辅助无线传感网及其节点调度与路径规划功率分配设计方法
本专利技术属于无线通信技术与物联网
，具体涉及基于发射功率最小化的无人机辅助无线传感网及其节点调度和路径规划功率分配设计方法。
技术介绍
无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)技术的快速发展，给借助于空中移动平台的相关行业带来了诸多新机遇和新挑战，诸如，道路交通管理，森林火险监视，灾害疫情监测，无人机货物配送，中继应急通信，热点区域基站负载均衡等方面。特别是在传统通信系统中，利用无人机的便捷部署、无线回程、高速移动等特性，通过在无人机上集成先进的收发信机和智能传感设备，可在移动通信系统的链路可靠性、边缘用户吞吐量、盲区覆盖率、容灾传输等方面带来显著地性能提升。尤其是，无人机通常处于视野较为开阔的空中区域，使得它与其它空中节点或地面节点进行通信时的无线信道呈现出有利的直视径传播。正因为这些特性，使得基于无人机辅助的无线通信技术具备了广阔的应用前景，也成为无线通信领域的又一热点研究方向。根据无人机通信节点的功能不同，可将无人机辅助通信系统划分为两大类：无人机中继通信系统和无人机空中基站通信系统。无人机中继通信系统主要用于通信双方在远距离条件下或地形复杂遮挡严重的情况下无可用传输信道，利用单个无人机或无人机蜂群进行协作，通过将源端用户的数据进行两跳或多跳后，传递到目的端用户，从而完成信息传递。而无人机空中基站通信系统，则是将传统的蜂窝系统基站功能移植在无人机平台上，完成地面蜂窝基站与用户间的上下行数据传输功能。无人机基站在空中悬停或飞行时，可直接与地面的单个或多个终端节点进行数据传输，再将数据通过无线回程链路传至地面核心网，该场景在无线传感网中具有重要的应用价值。一般而言，在地面分布的密集无线传感器节点需要周期性的将数据回传至网络中心或通过网络中心将任务/配置参数数据下达至传感器节点。而传统的无线传感网中，大量的无线传感器节点需要通过自组织网络的工作方式，利用传感器之间的多跳，将信息传至汇聚节点，再通过成本较高的有线回程链路回送至网络中心。而采用无人机空中基站，可以实时便捷的与地面终端节点直接进行数据传输与参数配置，且避免了有线链路的铺设成本。然而，在无线传感网中，大量地面终端节点散布在较为广阔的地理范围内，无人机需要根据自身的能量负载情况，以及飞行参数限制，如单次飞行时间、最大飞行速度等，优化相应的飞行路径，在尽可能短的时间内，来完成对区域覆盖范围内终端传感器节点的数据发送/接收任务，从而减少功率消耗对环境造成的污染。与此同时，在频率资源有限的条件下，大批量的终端节点无法同时与无人机基站进行通信。因此，合理的节点调度策略，配合无人机飞行路径和发射功率分配设计，在不同时刻选择信道条件较好的终端节点依次进行数据通信，对整个系统的数据传输速率和发射功率消耗都有着至关重要的影响。特别是对于发射功率有限的无人机而言，如何在一定的时间内，采用最少的发射功率，来满足无人机基站到终端节点的数据传输速率要求，这是无人机辅助无线传感网所面临的重要问题，而这一问题尚未有研究人员涉足。为了有效降低无人机基站的发射功率消耗，满足未来绿色通信的设计准则要求，我们提出了基于发射功率最小化的无人机基站飞行路径、功率分配和终端节点调度优化模型，由于优化模型为混合整数变量非凸优化问题，因而求解过程十分困难。本专利技术公开了一种基于发射功率最小化的无人机辅助无线传感网及其节点调度和路径规划功率分配设计方法。该无线传感网包括一个无人机空中基站和K个单天线地面终端节点。无人机基站在指定的飞行时间内按照优化的路径进行运动，在每一个飞行时刻，无人机基站按照优化的发射功率向一个调度出的地面终端节点发送数据，且每一时刻仅与一个终端节点通信。本专利技术方法以最小化系统功率消耗为目标，并考虑终端节点的数据传输速率要求、无人机最大飞行速度、无人机最大发射功率约束等条件，以终端节点的调度变量、无人机飞行路径、无人机发射功率变量为参量建立数学优化模型。由于该优化问题是混合整数变量的非凸优化问题，将其分解为两个子问题，再通过变量松弛、局部凸近似、一阶泰勒级数展开等方法进行连续凸变换，将两个子问题分别转换为其二者对应的上界凸问题。最后，采用块坐标下降法和内点法交替迭代子优化问题，求解得到一种次优的终端节点调度与无人机飞行路径功率分配参量解。
技术实现思路
本专利技术为使无人机辅助无线传感网消耗最少的发射功率而同时满足地面终端节点的数据传输速率要求，提出一种基于发射功率最小化的终端节点调度和无人机路径规划功率分配优化方法，并求解得到一种节点调度和飞行路径功率分配的次优解。本专利技术的基于发射功率最小化的无人机辅助无线传感网及其节点调度和路径规划功率分配设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1).建立三维空间直角坐标系(x,y,z)，z轴坐标表示空间的高度位置信息。K个单天线地面终端节点随机分布在xy平面内的固定位置，第k个地面终端节点的位置坐标为(xk,yk,0)T，且所有终端节点的位置坐标组成集合wk＝(xk,yk,0)T。无人机基站节点在三维空间中按照一定路径飞行，且具有固定飞行高度H。无人机基站单次飞行时间为T，将该时间段分割为N个时隙，每个时隙宽度为δ，即T＝Nδ；第n个时隙无人机的位置坐标为q[n]＝(x[n],y[n],H)T，(·)T表示矩阵/向量转置；用无人机各时隙所处位置的点集合描述无人机的飞行路径；在第n个时隙无人机基站以发射功率p[n]向一个地面终端节点发送数据；以ak[n]表示第n个时隙第k个终端节点的调度变量，该变量为二进制变量，非0即1，当该节点被选出进行通信时，ak[n]＝1，否则，ak[n]＝0，每个时刻最多只有一个终端被选出，即其它未被选出的终端节点则处于休眠状态；假设无人机基站到地面终端节点的信道为直视径，则第n时隙内无人机到第k个地面终端节点的自由空间路径损耗为其中，dk[n]表示第n时隙无人机到第k个地面终端的距离，β0表示距离为1m时的信道增益参考值，||·||—表示欧几里得范数；2).定义单次飞行时长内无人机基站到第k个地面终端节点的平均数据传输速率，如下：其中，表示在第n个时隙内无人机基站到第k个地面终端的数据传输速率，表示地面终端的接收信噪比，σ2表示地面终端受到的加性高斯白噪声功率；3).基于步骤2)平均数据传输速率Rk，并考虑终端节点的数据传输速率要求、无人机最大飞行速度、无人机最大发射功率约束等条件，建立以无人机总发射功耗最小化为目标，以终端节点的调度变量、无人机飞行路径、无人机发射功率变量为参量建立数学优化模型，如下：C5:||q[n+1]-q[n]||2≤(Vmaxδ)2,n＝1,...,N-1C6:q[1]＝q[N]其中，Rth表示无人机基站到地面终端节点的数据传输速率要求，Pmax表示无人机数据发射功率的最大值，Vmax表示无人机最大飞行速度；4).由于步骤3)中优化问题为混合整数变量非凸问题，无法直接求解，因此，将其转换为如下两个子优化问题，通过块坐标下降法交替迭代优化，获得原问题的次优解，具体为：4.1).给定无人机基站飞行路径{q[n]}，优化终端节点调度策略和发射功率，如下所示：4.2).给定用户调度策略{ak[n]}本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机辅助无线传感网的节点调度和路径规划功率分配设计方法，所述无人机辅助无线传感网包括一个无人机空中基站和K个单天线地面终端节点，所述无人机基站在指定的飞行时间内按照优化的路径进行运动，在每一个飞行时刻，无人机基站按照优化的发射功率向一个调度出的地面终端节点发送数据，且每一时刻仅与一个终端节点通信，其特征在于，包括步骤：1).建立三维空间直角坐标系(x,y,z)，z轴坐标表示空间的高度位置信息，K个单天线地面终端节点随机分布在xy平面内的固定位置，第k个地面终端节点的位置坐标为(xk,yk,0)

【技术特征摘要】
1.一种无人机辅助无线传感网的节点调度和路径规划功率分配设计方法，所述无人机辅助无线传感网包括一个无人机空中基站和K个单天线地面终端节点，所述无人机基站在指定的飞行时间内按照优化的路径进行运动，在每一个飞行时刻，无人机基站按照优化的发射功率向一个调度出的地面终端节点发送数据，且每一时刻仅与一个终端节点通信，其特征在于，包括步骤：1).建立三维空间直角坐标系(x,y,z)，z轴坐标表示空间的高度位置信息，K个单天线地面终端节点随机分布在xy平面内的固定位置，第k个地面终端节点的位置坐标为(xk,yk,0)T，且所有终端节点的位置坐标组成集合wk＝(xk,yk,0)T，(·)T表示矩阵/向量转置；无人机基站节点在三维空间中按照一定路径飞行，且具有固定飞行高度H，无人机基站单次飞行时间为T，将该时间段分割为N个时隙，每个时隙宽度为δ，第n个时隙无人机的位置坐标为q[n]＝(x[n],y[n],H)T；用无人机各时隙所处位置的点集合描述无人机的飞行路径；在第n个时隙无人机基站以发射功率p[n]向一个地面终端节点发送数据；以ak[n]表示第n个时隙第k个终端节点的调度变量，该变量为二进制变量，非0即1，当该节点被选出进行通信时，ak[n]＝1，否则，ak[n]＝0，每个时刻最多只有一个终端被选出，即其它未被选出的终端节点则处于休眠状态；假设无人机基站到地面终端节点的信道为直视径，则第n时隙内无人机到第k个地面终端节点的自由空间路径损耗为其中，dk[n]表示第n时隙无人机到第k个地面终端的距离，β0表示距离为1m时的信道增益参考值，||·||表示欧几里得范数；2).定义单次飞行时长内无人机基站到第k个地面终端节点的平均数据传输速率为：其中，表示在第n个时隙内无人机基站到第k个地面终端的数据传输速率，表示地面终端的接收信噪比，σ2表示地面终端受到的加性高斯白噪声功率；3).基于步骤2)平均数据传输速率Rk，并考虑终端节点的数据传输速率要求、无人机最大飞行速度、无人机最大发射功率约束等条件，建立以无人机总发射功耗最小化为目标，以终端节点的调度变量、无人机飞行路径、无人机发射功率变量为参量建立数学优化模型为：C5:||q[n+1]-q[n]||2≤(Vmaxδ)2,n＝1,...,N-1C6:q[1]＝q[N]其中，Rth表示无人机基站到地面终端节点的数据传输速率要求，Pmax表示无人机数据发射功率的最大值，Vmax表示无人机最大飞行速度。2.如权利要求1所述的无人机辅助无线传感网的节点调度和路径规划功率分配设计方法，其特征在于，将步骤3)的优化问题通过块坐标下降法交替迭代优化，获得所述数学优化模型的次优解。3.如权利要求1或2所述的无人机辅助无线传感网的节点调度和路径规划功率分配设计方法，其特征在于，将步骤3)的优化问题转换为如下两个子优化问题：4.1).给定无人机基站飞行路径{q[n]}，优化终端节点调度策略和发射功率为：4.2)....

【专利技术属性】
技术研发人员：王毅，华梦，马鹏阁，范远璋，郭慧，张松炜，刘建强，栗彦芬，刘兆瑜，陶然，
申请(专利权)人：郑州航空工业管理学院，
类型：发明
国别省市：河南,41