A joint optimization method for route planning and user access of relay UAV is proposed. The UAV with storage function is introduced as mobile relay UAV, and the path of relay UAV in multi-cell network and the access strategy of cell edge users are jointly optimized, so as to maximize the information transmission rate of cell edge users. Firstly, the edge user and rate maximization problem are constructed and the user access matrix is fixed. The sub-problem of route planning is transformed into convex problem by scaling the upper and lower bounds, and the optimal UAV path is obtained. Then, the UAV path is fixed and the optimal user access matrix is obtained by solving the Lagrange dual function. The UAV track and user access matrix are optimized alternately until the iterative algorithm converges. The method of the invention comprehensively considers the optimization of UAV track and user access in multi-cell relay network, and effectively improves the information transmission rate of multi-cell edge users in wireless communication network.
【技术实现步骤摘要】
一种中继无人机航迹规划和用户接入联合优化方法
本专利技术涉及一种高效的中继无人机航迹规划和用户接入联合优化方法,属于多小区无人机中继通信技术。
技术介绍
无人机通信是一种新型的通信场景。由于其高速移动性和灵活性,无人机辅助通信将在提升网络性能方面具有广阔的应用前景。一方面,无人机较高的飞行高度提高了无人机与地面设备之间建立视线(LoS)链路的概率,这将进一步带来更高的通信速率、更低的时延等性能提升;另一方面,无人机的移动性便于其根据动态网络的变化进行快速部署,以获得网络性能的最优化。目前已经有很多关于无人机应用场景的研究:无人机可以作为空中移动基站,为地面用户设备建立可靠的上下行通信链路;无人机作为移动中继,可以改善用户通信质量、扩大小区覆盖范围;无人机也可以作为空中移动用户,接入蜂窝网络进行通信。尽管无人机具有许多优势使其成为未来通信网络中不可或缺的一部分,但是无人机的应用仍面临着很多挑战。无人机的三维部署和航迹规划是值得考虑的问题,因为这会影响到无人机的能耗,能耗是在无人机通信中需要重点考虑的指标。无人机由于自身尺寸和重量的限制,电池容量非常有限,导致续航时间短,合理规划无人机航迹可以节省无人机能量从而延长其工作时间。此外,无人机航迹会影响到无人机对其他用户设备产生的干扰,进而影响到网络的整体性能。在多小区网络的共同边缘覆盖区内,小区边缘用户由于距离基站较远并且受到障碍物阻挡,其通信质量难以得到保障,信道质量差,通信失败率高。为保障边缘用户的通信质量、提高吞吐量,采用中继技术,基站先将数据发送给中继,再由中继存储、处理后转发给边缘用户。传统的中继设备具 ...
【技术保护点】
1.一种中继无人机航迹规划和用户接入联合优化方法,其特征在于,包括以下步骤:1)构建以最大化边缘用户和速率为目标的中继无人机航迹规划及用户接入的数学优化问题;2)固定用户接入矩阵,将最大化边缘用户和速率的中继无人机航迹规划及用户接入数学优化问题简化为中继无人机航迹规划的子问题;然后通过放缩求取上、下界的方法,将无人机航迹规划的子问题转化为一个凸优化问题;采用经典的凸优化问题求解方法,求解无人机航迹规划子问题,得到固定用户接入方案下的无人机最优航迹;3)将无人机航迹固定为步骤2)中获得的无人机航迹,将1)中得到的数学优化问题简化为用户接入优化子问题,进一步采用拉格朗日对偶方法求解该子问题,得到固定无人机航迹条件下最优的用户接入矩阵;4)更新用户接入矩阵为3)中得到的用户接入矩阵,迭代执行步骤2)至3),直到优化边缘用户和速率的无人机航迹规划及用户接入数学问题目标函数收敛,得到最优的无人机航迹和用户接入矩阵。
【技术特征摘要】
1.一种中继无人机航迹规划和用户接入联合优化方法,其特征在于,包括以下步骤:1)构建以最大化边缘用户和速率为目标的中继无人机航迹规划及用户接入的数学优化问题;2)固定用户接入矩阵,将最大化边缘用户和速率的中继无人机航迹规划及用户接入数学优化问题简化为中继无人机航迹规划的子问题;然后通过放缩求取上、下界的方法,将无人机航迹规划的子问题转化为一个凸优化问题;采用经典的凸优化问题求解方法,求解无人机航迹规划子问题,得到固定用户接入方案下的无人机最优航迹;3)将无人机航迹固定为步骤2)中获得的无人机航迹,将1)中得到的数学优化问题简化为用户接入优化子问题,进一步采用拉格朗日对偶方法求解该子问题,得到固定无人机航迹条件下最优的用户接入矩阵;4)更新用户接入矩阵为3)中得到的用户接入矩阵,迭代执行步骤2)至3),直到优化边缘用户和速率的无人机航迹规划及用户接入数学问题目标函数收敛,得到最优的无人机航迹和用户接入矩阵。2.根据权力要求1所述的中继无人机航迹规划和用户接入联合优化方法,其特征在于,所述步骤1)中,优化边缘用户和速率的无人机航迹规划及用户接入的数学优化问题具体为:其中:U={u[n],n=1,...,N}表示无人机航迹;表示用户接入矩阵,其元素ρk,n指示用户是否接入无人机,若在n时刻用户k接入无人机,则ρk,n=1,否则ρk,n=0;K表示所有边缘用户的集合;R0为边缘用户的最小速率要求,RE[k]表示边缘用户k在一个周期内的平均速率,由下面式(2)计算:其中,N表示一个周期内的时隙数;PU是无人机发射功率;是n时刻无人机到用户k之间的信道增益;α0是参考距离为1米时的信道功率;duk[n]表示n时刻无人机到用户k的距离;σ2为噪声功率;为无人机在n时刻发送给用户的数据速率,为无人机在n时刻从基站接收到的数据速率,分别由下面式(3)和(4)计算:其中,NB是基站数;PB是基站发射功率;是n时刻基站到无人机的信道增益,其中dmu[n]表示n时刻基站m到无人机的距离,表示基站m到无人机的小尺度信道衰落,L表示基站配置的天线数,表示基站m的波束赋形向量;Vmax表示无人机的最大飞行速度;T表示一个周期时间。3.根据权力要求1所述的中继无人机航迹规划和用户接入联合优化方法,其特征在于,所述步骤2)中,给定用户接入矩阵,无人机航迹优化的子问题具体如下:4.根据权力要求1所述的中继无人机航迹规划和用户接入联合优化方法,其特征在于,所述步骤...
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