多无人机网络协同通信方法技术

本发明专利技术公开了一种多无人机网络协同通信方法，领无人机和从无人机根据预先设定的飞行轨道，飞行到设定轨道后开始监控，采集火灾灾情数据；从无人机根据分配的链路流量、链路的功率以及信息传输速率，将采集的数据以ad‑hoc的方式汇总到领无人机；领无人机将汇集的数据发送给地面接收站。根据火灾监控中的通信需求，在网络拓扑动态变化的无人机网络中，通过联合考虑无人机的数据采集速率控制、信道的传输速率安排和资源分配，提升网络的通信能力。本发明专利技术中提出的无人机火灾监控网络中联合信源和信道速率控制方案有效的提升了网络的通信性能，从而为该网络应用于实际火灾监控提供了通信领域的技术保障，保证了网络的通信能力，对于火灾救援意义重大。

Multi-UAV Network Cooperative Communication Method

【技术实现步骤摘要】
多无人机网络协同通信方法
本专利技术涉及无线通信领域中的速率控制领域，特别是指一种多无人机网络协同通信方法。
技术介绍
在无人机组成的城市火情监控网络中，根据网络情况控制数据的采集速率和通信速率，减少拥塞，才能更有效的辅助火灾救援。当所有无人机同时不受限的采集数据并发送时，会浪费通信资源，同时造成网络的严重拥塞，对火灾最终监测结果以及救援决策造成影响。目前无人机通信的研究集中在通信系统性能的研究，如《Energy-efficientUAVcommunicationwithtrajectoryoptimization》中研究了单个无人机到地面接收站通信的联合轨迹优化和功率控制，以优化系统的能效；《Delay-constrainedthroughputmaximizationinUAV-enabledOFDMsystems》中则是研究了时延约束系统的联合轨迹优化和功率控制，以优化系统的吞吐量。现有的研究都集中在点对点系统的通信性能优化，没有考虑无人机组成网络带来的性能提升。另外，现有的方案没有针对城市火情监控这一场景考虑的。利用无人机进行火灾监控的研究主要集中在火灾救援无人机的设计，如有公开号为207311836U的中国专利，设计了利用于高层火灾救援的无人机的各个模块，如机载控制系统、导航模块，信息采集调制模块、摄像照相模块、发光的引导信号灯等。该专利仅从无人机本身的设计角度出发，没有从通信的角度考虑如何设计才能更好的辅助于城市火情监控的场景。基于现有技术的分析，无人机通信网络以及无人机通信网络在城市火灾监控方面的应用存在以下缺陷：(1)现有方案中都是研究点对点系统的通信性能优化，未考虑其他无人机的协助作用，在火灾监控场景下，由于城市建筑物的遮挡，通信链路的质量差，从而导致点对点网络无法胜任火灾监控的任务。(2)现有研究都是纯通信场景下开展的，对于任务驱动的网络，需要与任务的执行需求相结合来进行优化，而不是单纯考虑抽象的通信场景。(3)现有方案把重心放在无人机的轨迹优化，意图通过轨迹优化来提升系统的通信性能。然而在火灾监控的场景下，无人机有固定的监控目标，因此无人机的轨迹也是固定的，不能通过轨迹优化来提升通信性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种多无人机网络协同通信方法，提升网络的通信性能。基于上述目的本专利技术提供的一种多无人机网络协同通信方法，适用于多无人机网络化系统，所述多无人机网络化系统由一个领无人机与N个从无人机连接构成，包括如下步骤：无人机接收设定的飞行轨迹，组成无人机编队并组成由从无人机、领无人机和地面接收站组成的无人机通信网络，其中，无人机通信网络的拓扑用表示,表示拓扑结构顶点，表示链路，顶点集合表示从无人机，D表示领无人机，G表示地面接收站，链路集合记为其中是从无人机之间的链路，是从无人机到领无人机的链路，lDG是领无人机到地面接收站的链路；在时期k，为中的每一条链路分配不同的流量，记为链路分配的流量为fl,k，从无人机以相同的中心循环，领无人机悬停在固定位置，任意两个从无人机之间以及领无人机与地面接收站之间的信道在一个时期内可以承载的数据量Sl,k根据香农定理表示为：其中Wl是链路的带宽，pl,k是时期k为链路l分配给链路的功率，hl,k是时期k的信道衰落系数，σ2是加性高斯白噪声的功率，是时期k内从无人机之间的链路集合，表示时隙集合，Bk和Ek表示时期k的开始和结束时刻；无人机编队在飞行时保持相同的模式以固定轨迹运行，领无人机与从无人机之间的链路可以承载的最大的数据量Sl，k根据香农定理表示为：其中hl,t是时刻t的信道衰落系数，是时期k内从无人机到领无人机的链路集合；多无人机通信网络为每条链路分配链路流量f、链路的功率p以及信息传输速率λ，使得在单位时间内保证任意一条链路安排的流量不超过其可以承载的最大容量；从无人机按照既定分配的链路流量，将采集的数据通过无人机通信网络发送给领无人机，领无人机将汇集的数据发送给地面接收站。作为一种可选的实施例，所述式(3)领无人机D与地面接收站G之间的链路可以承载的最大的数据量Sl,k通过引入辅助变量α后的仿射函数表达形式为：其中，为在时期k期间与地面接收站G之间连通的无人机集合，λi,k为k时期无人机i的数据传输速率，pi,k为无人机i的发送功率，αi,k为k时期对应于无人机i的辅助变量，K为时刻的总数目，λ、f、为传输速率、流量安排和发射功率的向量形式，为可行集合。作为一种可选的实施例，所述式(12)通过引入拉格朗日乘子β和KKT条件来求解，式(12)引入拉格朗日乘子β的表达式为：并且根据KKT条件有：式中，(·)*表示求解得到的相应的变量的最优解，e是自然对数的底数，βi,k为时期k内无人机i的拉格朗日乘子，βi,k为时期k内无人机i的拉格朗日乘子；其中采用双层循环算法来求解式(13)的解：链路流量f、链路的功率p以及信息传输速率λ。作为一种可选的实施例，所述式(13)的拉格朗日函数表达形式为：具体可分解成式(18)和式(19)，式(18)为速率控制问题，式(19)为功率控制问题：其中，式(7)为：Af＝Sg，为多无人机网络中关联矩阵和数据速率向量的流量守恒表达式；式(8)为：pi,max是无人机i的峰值发送功率。作为一种可选的实施例，所述双层循环算法具体包括如下步骤：步骤301，初始化参数，选择在可行域中的λ、f、p，给定初始值r＝m＝0，定义α＝α0，β＝β0，v＝v0,其中，r和m分别表示外部迭代次数和内部迭代次数；步骤302，更新外部迭代次数r；步骤303，开始内部循环，并更新内部迭代系数m；步骤304，求解式(18)速率控制问题的解；步骤305，求解式(19)功率控制问题的解；步骤306，根据子梯度算法更新对偶变量vm+1的值；步骤307，当|νm+1-νm|＜ε时，内循环停止，下一步执行外循环步骤308，条件|νm+1-νm|＜ε不满足时，返回步骤303，其中ε是预定义的阈值；步骤308，根据式(21)和式(22)更新参数变量αr+1和βr+1：其中和是第m次内循环得到的最优解；ξα为辅助变量α的更新步长，ξβ为辅助变量β的更新步长；步骤309，当|αr+1-αr|＜σ和|βr+1-βr|＜σ同时满足的情况下，外循环停止，下一步执行步骤310，否则返回步骤302；步骤310，输出为每条链路分配链路流量f、链路的功率p以及信息传输速率λ。作为一种可选的实施例，步骤306具体步骤为：对偶变量ν计算式(20)为：其中[·]+＝max{·,0}，δν为对偶变量ν的更新步长。作为一种可选的实施例，所述由从无人机、领无人机和地面接收站组成的无人机通信网络采用ad-hoc的方式组网。一种多无人机网络协同通信方法，所述多无人机网络协同通信方法应用于城市火灾救援中，并按照如下步骤执行：领无人机和从无人机根据预先设定的飞行轨道，飞行到设定轨道后开始监控，采集火灾灾情数据；按照所述多无人机网络协同通信方法确认分配的链路流量f、链路的功率p以及信息传输速率λ，将采集的数据通过多无人机网络汇总到领无人机；领无人机将汇集的数据发送给地面接收站。从上面所述可以看出，本专利技术提供的多无人机网络协同通信方法，首先，本专利技术提出利用无人机组成网络监控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多无人机网络协同通信方法，适用于多无人机网络化系统，其特征在于，所述多无人机网络化系统由一个领无人机与N个从无人机连接构成，包括如下步骤：无人机接收设定的飞行轨迹，组成无人机编队并组成由从无人机、领无人机和地面接收站组成的无人机通信网络，其中，无人机通信网络的拓扑用

【技术特征摘要】
1.一种多无人机网络协同通信方法，适用于多无人机网络化系统，其特征在于，所述多无人机网络化系统由一个领无人机与N个从无人机连接构成，包括如下步骤：无人机接收设定的飞行轨迹，组成无人机编队并组成由从无人机、领无人机和地面接收站组成的无人机通信网络，其中，无人机通信网络的拓扑用表示,表示拓扑结构顶点，表示链路，顶点集合表示从无人机，D表示领无人机，G表示地面接收站，链路集合记为其中是从无人机之间的链路，是从无人机到领无人机的链路，lDG是领无人机到地面接收站的链路；在时期k，为中的每一条链路分配不同的流量，记为链路分配的流量为fl,k，从无人机以相同的中心循环，领无人机悬停在固定位置，任意两个从无人机之间以及领无人机与地面接收站之间的信道在一个时期内可以承载的数据量Sl,k根据香农定理表示为：其中Wl是链路的带宽，pl,k是时期k为链路l分配给链路的功率，hl,k是时期k的信道衰落系数，σ2是加性高斯白噪声的功率，是时期k内从无人机之间的链路集合，表示时隙集合，Bk和Ek表示时期k的开始和结束时刻；无人机编队在飞行时保持相同的模式以固定轨迹运行，领无人机与从无人机之间的链路可以承载的最大的数据量Sl,k根据香农定理表示为：其中hl,t是时刻t的信道衰落系数，是时期k内从无人机到领无人机的链路集合；多无人机通信网络为每条链路分配链路流量f、链路的功率p以及信息传输速率λ，使得在单位时间内保证任意一条链路安排的流量不超过其可以承载的最大容量；从无人机按照既定分配的链路流量，将采集的数据通过无人机通信网络发送给领无人机，领无人机将汇集的数据发送给地面接收站。2.根据权利要求1所述的多无人机网络协同通信方法，其特征在于，所述式(3)领无人机D与地面接收站G之间的链路可以承载的最大的数据量Sl,k通过引入辅助变量α后的仿射函数表达形式为：其中，为在时期k期间与地面接收站G之间连通的无人机集合，λi,k为k时期无人机i的数据传输速率，pi,k为无人机i的发送功率，αi,k为k时期对应于无人机i的辅助变量，K为时刻的总数目，λ、f、为传输速率、流量安排和发射功率的向量形式，为可行集合。3.根据权利要求2所述的多无人机网络协同通信方法，其特征在于，所述式(12)通过引入拉格朗日乘子β和KKT条件来求解，式(12)引入拉格朗日乘子β的表达式为：并且根据KKT条件有：式中，(·)*表示求解得到的相应的变量的最优解，e是自然对数的底数，βi,k为时期k内无人机i的拉格朗日乘子，βi,k为时期k内无人机i的拉格朗日乘子；其中采...

【专利技术属性】
技术研发人员：许文俊，王译锌，张平，张治，林家儒，李绍胜，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11