一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，包括以下步骤：步骤一：配备定向天线的无人机获取地面用户的位置信息；步骤二：根据功率消耗最小化原则，确定在总功耗最小时，无人机的最佳飞行高度和无人机数；步骤三：根据步骤二获得的无人机的最佳飞行高度和无人机数，无人机与地面用户进行数据传输。本发明专利技术的优点是：采用频分多址技术，在用户速率约束条件下基于无人机最小功率原则，设计最优的无人机飞行高度和无人机数，建立可靠的低发射功率连接；仅利用用户的位置信息，可以精确设计无人机数和飞行高度，其计算复杂度低，适用于各种典型的空对地场景。

A Flight Height Design Method for Wireless Communication System Based on Multi-UAV Coverage

The invention discloses a design method of flight altitude for wireless communication system based on multi-UAV coverage, which includes the following steps: step 1: UAV equipped with directional antenna obtains position information of ground users; step 2: according to the principle of minimizing power consumption, determine the optimal flight altitude and number of UAVs at the minimum total power consumption; step 3: according to step 2 The optimal flight altitude and number of UAVs are obtained, and data transmission between UAVs and ground users is carried out. The advantages of the present invention are as follows: using frequency division multiple access technology, based on the principle of minimum power of UAV under the condition of user rate constraints, optimum flight altitude and UAV number are designed, and reliable low transmission power connection is established; only using user's position information, UAV number and flight altitude can be accurately designed with low computational complexity, which is suitable for various typical air-to-ground applications. Scene.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法
本专利技术涉及无人机作为移动基站的通信领域，尤其涉及一种基于空对地信道模型的无线通信系统飞行高度设计方法。
技术介绍
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。无人机作为可以飞行的无线通信平台，随着研发技术逐渐成熟，制造成本大幅降低，设备逐步小型化，近年来备受关注。一方面，无人机可以作为无线中继，提高地面无线设备的连通性，扩大网络覆盖。另一方面，无人机可以作为移动空中基站，为地面用户提供可靠的下行和上行通信，提高无线网络的容量。与地面基站相比，使用基于无人机的空中基站的优点是能够快速、轻松地移动。此外，无人机的飞行高度很高可以与地面用户进行视距通信。由于可调的飞行高度和机动性，无人机可以向潜在的地面用户移动，并建立可靠的低发射功率连接。在无人机支持的各种应用中，利用无人机实现高速无线通信有望在未来的通信系统中发挥重要作用。事实上，无人机辅助无线通信提供了一种具有成本效益和能源效益的解决方案，可以为没有基础设施覆盖的设备提供无线连接；无人机通信已经逐渐成为未来无线通信领域中的研究热点，具有非常广阔的发展前景。因而亟需专利技术一种能建立可靠的低发射功率连接，且可以精确设计无人机数和飞行高度的基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能建立可靠的低发射功率连接，可以精确设计无人机数和飞行高度的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法。为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：所述的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，包括以下步骤：步骤一：配备定向天线的无人机获取地面用户的位置信息；步骤二：根据功率消耗最小化原则，确定在总功耗最小时，无人机的最佳飞行高度和无人机数；步骤三：根据步骤二获得的无人机的最佳飞行高度和无人机数，无人机与地面用户进行数据传输。进一步地，前述的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，其中：在步骤一中，无人机从地面用户所获取的位置信息包括：用户与无人机在地面上的投影之间的距离，无人机与地面用户之间的距离，地面用户跟无人机之间的仰角。进一步地，前述的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，其中：基于多无人机覆盖的无线通信系统按照如下方式建模：设系统中无人机的飞行高度为H，定义di表示无人机与其覆盖范围内的第i个地面用户之间的距离，将其建模为其中，ri表示地面用户i与无人机在地面的投影之间的距离，地面用户i跟无人机之间的仰角为θ，并具有如下关系：在无线通信系统中无人机配备有可调波束宽度的定向天线，并且天线增益表示为：其中，表示扇形角，θB表示定向天线的半功率波束宽度，G0≈2.2846；无人机的覆盖半径Rc与飞行高度H有如下关系：进一步地，前述的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，其中：在步骤二中，根据功率消耗最小化原则，无人机的最佳飞行高度和无人机数的计算过程包括以下步骤：步骤(21)：根据定向天线的半功率波束宽度θB，计算步骤(22)：根据空对地信道通信中存在的视距链路概率，计算其中，D、M分别表示视距概率中的参数，即D＝aexp(ab)，其中，视距概率可表示为：其中，a与b都是表示跟环境因素有关的常数；而NLoS的概率为PNLoS＝1-PLoS；步骤(23)：计算空对地信道模型参数其中，表示单位面积内的用户数目，K表示地面用户数目，A表示给定区域面积，N0表示噪声功率谱密度，B表示分配给用户的带宽，R0表示地面用户的最小速率要求，G0是天线增益参数，fc是子载波频率，C是光速；步骤(24)：根据功率消耗最小化原则，无人机的最佳飞行高度为：其中，Pc表示无人机服务地面用户所消耗的电路功率，X＝Qη1g1(θB)+Q(η0-η1)g2(θB)，η0、η1分别指视距链路和非视距链路增加到自由空间传播的额外路径损耗，且η1＞＞η0；此时对应的无人机数通过上述技术方案的实施，本专利技术的有益效果是：(1)本方法采用频分多址技术，在用户速率约束条件下基于无人机最小功率原则，设计最优的无人机飞行高度和无人机数，建立可靠的低发射功率连接；(2)本方法仅利用用户的位置信息，可以精确设计无人机数和飞行高度，其计算复杂度低，适用于各种典型的空对地场景。附图说明图1为本专利技术所述的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法的流程图。图2为本专利技术中无人机最佳飞行高度与无人机数的具体实施步骤流程图。具体实施方式下面将结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。如图1、图2所示，所述的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，本方法基于一个无人机辅助的无线通信系统：在一个面积为A的区域内，多个无人机为K个地面用户提供无线服务，在该区域内采用频分多址技术，即用户之间没有干扰；本方法包括以下步骤：步骤一：配备定向天线的无人机获取地面用户的位置信息；其中，无人机从地面用户所获取的位置信息包括：用户与无人机在地面上的投影之间的距离，无人机与地面用户之间的距离，地面用户跟无人机之间的仰角；其中，基于多无人机覆盖的无线通信系统按照如下方式建模：设系统中无人机的飞行高度为H，定义di表示无人机与其覆盖范围内的第i个地面用户之间的距离，将其建模为其中，ri表示地面用户i与无人机在地面的投影之间的距离，地面用户i跟无人机之间的仰角为θ，并具有如下关系：在无线通信系统中无人机配备有可调波束宽度的定向天线，并且天线增益表示为：其中，表示扇形角，θB表示定向天线的半功率波束宽度，G0≈2.2846；无人机的覆盖半径Rc与飞行高度H有如下关系：步骤二：根据功率消耗最小化原则，确定在总功耗最小时，无人机的最佳飞行高度和无人机数；其中，根据功率消耗最小化原则，无人机的最佳飞行高度和无人机数的计算过程包括以下步骤：步骤(21)：根据定向天线的半功率波束宽度θB，计算步骤(22)：根据空对地信道通信中存在的视距链路概率，计算其中，D、M分别表示视距概率中的参数，即D＝aexp(ab)，在低空平台中无人机与地面用户之间的空对地信道存在视距和非视距链路，并且每一个链路都有特定的发生概率；空对地通信中的视距概率大小只跟环境因素有关，如覆盖范围内建筑物的密度和高度，用户跟无人机所处的位置，以及用户与无人机之间的仰角；其中，视距概率可表示为：其中，a与b都是常数，跟环境因素有关；而NLoS的概率为PNLoS＝1-PLoS；步骤(23)：计算空对地信道模型参数其中，表示单位面积内的用户数目，N0表示噪声功率谱密度，B表示分配给用户的带宽，R0表示地面用户的最小速率要求，G0是天线增益参数，fc是子载波频率，C是光速；步骤(24)：根据功率消耗最小化原则，无人机的最佳飞行高度为：其中，Pc表示无人机服务地面用户所消耗的电路功率，X＝Qη1g1(θB)+Q(η0-η1)g2(θB)，η0、η1分别指视距链路和非视距链路增加到自由空间传播的额外路径损耗，且η1＞＞η0；此时对应的无人机数步骤三：根据步骤二获得的无人机的最佳飞行高度和无人机数，无人机与地面用户进行数据传输。本专利技术的优点是：(1)本方法采用频分多址技术，在用户速率约束条件下基于无人机最小功率原则，设计最优的无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：配备定向天线的无人机获取地面用户的位置信息；步骤二：根据功率消耗最小化原则，确定在总功耗最小时，无人机的最佳飞行高度和无人机数；步骤三：根据步骤二获得的无人机的最佳飞行高度和无人机数，无人机与地面用户进行数据传输。

【技术特征摘要】
1.一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：配备定向天线的无人机获取地面用户的位置信息；步骤二：根据功率消耗最小化原则，确定在总功耗最小时，无人机的最佳飞行高度和无人机数；步骤三：根据步骤二获得的无人机的最佳飞行高度和无人机数，无人机与地面用户进行数据传输。2.根据权利要求1所述的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，其特征在于：在步骤一中，无人机从地面用户所获取的位置信息包括：用户与无人机在地面上的投影之间的距离，无人机与地面用户之间的距离，地面用户跟无人机之间的仰角。3.根据权利要求2所述的一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法，其特征在于：在步骤一中，基于多无人机覆盖的无线通信系统按照如下方式建模：设系统中无人机的飞行高度为H，定义di表示无人机与其覆盖范围内的第i个地面用户之间的距离，将其建模为其中，ri表示地面用户i与无人机在地面的投影之间的距离，地面用户i跟无人机之间的仰角为θ，并具有如下关系：在无线通信系统中无人机配备有可调波束宽度的定向天线，并且天线增益表示为：其中，表示扇形角，θB表示定向天线的半功率波束宽度，G0≈2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，张婷，朱洪波，朱琦，杨龙祥，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32