面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法。该方法考虑一个无人机作为中继的无线网络，该无人机在从起始点飞往终点的过程中，将源节点发送的信号转发给目的节点，在无人机信号发射功率受限，飞行时间受限，信息因果约束，以及链路传输速率约束的条件下，通过调整其航迹以及信号发射功率，优化无人机的总能耗。由于所得问题为一个非凸优化问题，难以直接进行求解，本发明专利技术使用连续凸近似(Successive Convex Approximation，SCA)方法对问题进行转化和求解。本发明专利技术适用于地形比较复杂、地面基站难以部署、或是通信质量差的地区，利用无人机作为移动中继为用户设备提供服务。

Joint optimization of UAV track and signal transmission power for wireless relay

【技术实现步骤摘要】
面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法
本专利技术属于无线通信
，具体是一种面向无线中继的低能耗的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法。
技术介绍
目前的通信网主要是由地面基站或者中继等固定通信设备组成的。因此，要实现通信网的全覆盖，需要大量的设备部署，增加了通信的成本。而低空无人机系统，由于完全可控制的特点，在部署和重新配置更加迅速和灵活，因此更具成本效益。并且由于UAV视距通信的可能性较高，因此具有更好的通信信道，可以实现更高的通信速率。此外，在现实生活中，一些突发的自然灾害可能会对地面通信基础设施造成严重损害，导致受灾地区无法及时与外界保持联系，或者是一些地形比较复杂的地方，地面基站无法架设。在这些场景中急需无人机来辅助现有的通信系统。目前在无人机作为中继的场景下，考虑其能耗续航的航迹规划研究还尚属空白。由于其能量资源有限，没有适合的航迹规划，不但会造成巨大的资源浪费，还会导致用户需求无法满足。因此，在无人机中继场景下，针对无人机航迹以及信号发射功率的联合优化设计，具有现实性的意义。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法，实现低能耗的无人机中继通信。技术方案：为达到上述目的，本专利技术采用的具体步骤如下：(1)基于源节点、目的节点和无人机的地理位置，建立无线信道模型；(2)根据无人机的速度、加速度约束，链路传输速率约束，信号发射功率约束，和信息因果约束建立优化问题；(3)对步骤2中建立的非凸优化问题进行求解，得到无人机的航迹规划和信号发射功率分配方案。进一步地，在步骤1中，源节点和目的节点与无人机之间都为空对地信道，且通信链路由LoS链路占决定性影响，将无人机的总飞行时间T划分为N个时隙，在第n个时隙，无人机接收信号的速率为：其中ps[n]为源节点在第n个时隙的信号功率；hsu[n]为在第n个时隙的源节点与无人机之间的信道增益；σ2为无人机处噪声的方差；H为无人机飞行的高度；S为源节点的水平坐标位置；q[n]为无人机在第n个时隙的水平坐标位置；而β0为一个常量，是用户到无人机距离为1米时的信道增益；在第n个时隙，目的节点接收速率为：其中pu[n]为无人机在第n个时隙的发射信号功率；hud[n]为在第n个时隙的无人机与目的节点之间的信道增益；D为目的节点的水平坐标位置。所述步骤2中约束条件包括：无人机飞行时速度满足||v[n]||≤Vmaxv[n]为无人机第n个时隙时的速度，Vmax表示它的最大可达速度；加速度满足||a[n]||≤amax，a[n]为无人机第n个时隙时的加速度，amax表示它的最大加速度；目的节点所需传输速率满足η为目的节点的门限速率；无人机信号总发射功率其中pu[n]为第n个时隙时无人机的信号发射功率，满足条件0≤pu[n]≤pumax,n＝1,...,N，pumax为无人机最大发射功率；ps[n]为第n个时隙时源节点的信号发射功率，满足条件0≤ps[n]≤psmax,n＝1,...,N，psmax为源节点最大发射功率；无人机在第一时隙接收到源节点的发送信号，并在第二时隙将其转发给目的节点，根据信息因果约束：Rud[1]＝0,n＝2,...,N，其中，Rud[i]为第i个时隙无人机的信号接收速率，Rsu[i]为第i个时隙目的节点的信号接收速率。所述步骤2建立的优化问题为：p1:Pe为无人机推动功率，其中c1与c2是常量，g是重力加速度。所述步骤3中，对步骤2中建立的非凸优化问题求解，包括以下步骤：3a)、给定航迹、信号发射功率和飞行状态的初始值，飞行状态包括无人机速度以及加速度；3b)、针对非凸优化问题建立相应的凸优化问题，更新航迹、发射功率和飞行状态，并将其作为新的初始值；3c)、迭代执行步骤3b，直到算法收敛，将输出值作为航迹规划和信号发射功率分配方案。有益效果：本专利技术首次将无线中继的无人机、无人机推动功率、信息因果约束结合在一起，在无人机信号发射功率受限，飞行时间受限，信息因果约束，以及链路传输速率约束的条件下，通过对无人机航迹以及信号发射功率的调整，来减少无人机的总能耗。本专利技术可得到低能耗的无人机航迹规划和信号发射功率分配方案，实现能量的有效利用，对于无人机作为空中中继辅助现有的通信系统具有重要意义和实用价值。附图说明图1是本专利技术的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法流程图；图2是无人机在飞行过程中与各节点之间信息传输的系统示意图；图3是经过优化后的无人机航迹示意图；图4是经过优化后的无人机速度与加速度的示意图；图5是经过优化后的无人机信号发射功率示意图；图6是无人机优化前与优化后能耗对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。应当了解，以下提供的实施例仅是为了详尽地且完全地公开本专利技术，并且向所属
的技术人员充分传达本专利技术的技术构思，本专利技术还可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本专利技术的限定。无人机通信网络利用无人机作为中继，并通过其搭载的通信设备，在飞行过程中，将源节点发送的信号转发给目的节点。相比于传统的地面通信系统，无人机通信可以快速建立相应的通信网络，并且不会受到地面路况的影响。本专利技术提出一种面向无线中继的低能耗的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法，考虑一个无人机作为中继的无线网络，无人机为一组节点用户(一个源节点，一个目的节点)提供中继服务，在无人机信号发射功率受限，速度、加速度受限，飞行时间受限，信息因果约束，以及链路传输速率约束的条件下，通过优化通信时隙中的无人机信号发射功率、速度以及加速度，来降低无人机的总能耗。如图1所示，所述联合优化方法包括以下步骤：步骤S1，基于源节点、目的节点和无人机的地理位置，建立无线信道模型。假定无人机、源节点和目的节点的天线个数都为1，将无人机的总飞行时间T划分为N个时隙，无人机飞行的高度为H，源节点以及目的节点与无人机之间采用空对地无线信道模型，通信链路由视距(line-of-sight，Los)链路占决定性影响。系统示意图如图2所示。在第n个时隙，无人机接收信号的速率为：其中ps[n]为源节点在第n个时隙的信号功率；hsu[n]为在第n个时隙的源节点与无人机之间的信道增益；σ2为无人机处噪声的方差；S为源节点的水平位置坐标；q[n]为无人机在第n个时隙的水平位置坐标；而β0为一个常量，是用户到无人机距离为1米时的信道增益；在第n个时隙，目的节点接收速率为：其中pu[n]为无人机在第n个时隙的发射信号功率；hud[n]为在第n个时隙的无人机与目的节点之间的信道增益；D为目的节点的水平位置坐标。步骤S2，根据无人机的速度、加速度约束，链路传输速率约束，信号发射功率约束，以及信息因果约束建立优化问题。无人机飞行时速度满足||v[n]||≤Vmax，Vmax表示它的最大可达速度；加速度满足||a[n]||≤amax，amax表示它的最大加速度；目的节点需传输速率满足η为目的节点的门限速率；无人机推动功率为其中c1与c2是常量，由环境和无人机硬件情况如空气密度，阻力系数，机翼面积等因素决定，v[n]为无人机第n个时隙时的速度，a[n]为第n个时隙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)基于源节点、目的节点和无人机的地理位置，建立无线信道模型；(2)根据无人机的速度、加速度约束，链路传输速率约束，信号发射功率约束，和信息因果约束建立优化问题；(3)对步骤2中建立的非凸优化问题进行求解，得到无人机的航迹规划和信号发射功率分配方案。

【技术特征摘要】
1.一种面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)基于源节点、目的节点和无人机的地理位置，建立无线信道模型；(2)根据无人机的速度、加速度约束，链路传输速率约束，信号发射功率约束，和信息因果约束建立优化问题；(3)对步骤2中建立的非凸优化问题进行求解，得到无人机的航迹规划和信号发射功率分配方案。2.根据权利要求1所述的面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法，其特征在于，所述步骤1中无线信道模型为：源节点和目的节点与无人机之间都为空对地信道，且通信链路由LoS链路占决定性影响，将无人机的总飞行时间T划分为N个时隙，在第n个时隙，无人机接收信号的速率为：其中ps[n]为源节点在第n个时隙的信号发射功率；hsu[n]为在第n个时隙的源节点与无人机之间的信道增益；σ2为无人机处噪声的方差；H为无人机飞行的高度；S为源节点的水平坐标位置；q[n]为无人机在第n个时隙的水平坐标位置；而β0为一个常量，是用户到无人机距离为1米时的信道增益；在第n个时隙，目的节点接收速率为：其中pu[n]为无人机在第n个时隙的发射信号功率；hud[n]为在第n个时隙的无人机与目的节点之间的信道增益；D为目的节点的水平坐标位置。3.根据权利要求2所述的面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法，其特征在于，所述步骤2中约束条件包括：无人机飞行时速度满足||v[n]||≤Vmaxv[n]为无人机第n个时隙时的速度，Vmax表示它的最大可达速度；加速度满足||a[n]||≤amax...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡曙，陈龙，张军，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32