基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法技术方案

本发明专利技术涉及无人机通信技术，具体涉及基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法，根据地面终端通信模式选择策略对终端设备进行分组，确定中继模式地面终端GTR的数量及位置，设定初始参数后开展连续凸优化算法，依次对时隙资源分配，无人机的飞行轨迹，无人机信息的传输功率，地面终端GTR的信息传输功率，无人机的能量广播功率进行优化，而后通过多次迭代，当地面终端GTR的周期内吞吐量增长小于预设阈值时，停止优化算法，得到无人机中继系统的最优资源分配策略。该方法可以根据实际情况进行地面终端设备通信模式选择，减少无人机资源浪费的同时保障地面用户的服务质量。能适应地面终端数量及其初始能量储备情况的周期性变化场景，可行性强。

Resource Allocation Method for UAV Relay System Based on Wireless Portable Communication Network

【技术实现步骤摘要】
基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法
本专利技术属于无人机通信
，尤其涉及基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法。
技术介绍
随着无线通信技术的发展，越来越多的设备接入网络，万物互联的5G时代即将来临，此时，频谱资源紧张，设备能量短缺问题愈发严重。无线携能通信网络(wirelesspoweredcommunicationnetwork,WPCN)能够一定程度上解决上述问题。通常来说，WPCN由一个混合接入点(hybridaccesspoint,HAP)及若干个地面无线终端设备组成，在下行链路中，无线终端通过能量接收模块收集HAP中能量节点广播的射频能量信号并将其转化为电能储存；在上行链路中，基于时分复用通信协议(time-division-multiple-access,TDMA)，无线终端能够利用收集到的能量将自身的信息传输给HAP的信息接收模块，从而在一定程度上降低设备对能源的依赖性，实现可持续通信的目标。在传统的无线传感器网络中，传感器设备依赖有限的电池电量储备，信息节点的优化部署问题在传统的无线传感器网络中已经得到了广泛的研究与应用。然而，电池供电通信网络和无线能量收集通信网络的网络建设目标存在较大差异。一方面，电池供电无线网络的主要优化目标之一是最大限度地降低终端设备的发射功率，减少能耗，在工作时长与通信性能之间寻找均衡方案。这种面向节能的设计并不一定适用于WPCN场景。因为能量收集机制的存在，WPCN系统中的终端设备具有着恒定的能量来源，此时可以终端设备附近配备一个无线能量源来弥补其高功耗带来的能量短缺。另一方面，区别于无线信息传输过程中普遍存在的干扰现象，能量源节点广播的射频能量信号不会对非预期终端的能量接收器产生有害的同频干扰，相反可以提高其能量收集性能。基于上述原因，本专利技术设计了一种适应WPCN特性的无线传感网络方案，以充分发挥能量收集技术的优势。目前，在建设WPCN时，通常会根据服务区域的大小来搭建多个HAP以提高网络覆盖面积。然而，由于WPCN中的终端设备受到“双重远近效应”的影响，相对于距离HAP较近的终端设备，距离HAP较远的终端设备在收集到更少能量的同时需要更高的发射功率将信息传输给HAP。此外，位置固定的H-AP或EP/IP节点不适用于无线传感网络中传感器位置与数量动态变化的场景，增设多个地面基站又会带来高昂的网络建设费用，在传感器部署较少的偏远地区更是会造成通信资源的浪费，而且建设地面基站的组网时间长，维护费用高，无法在紧急场景下(如火灾，地震，大型户外活动等)实现网络的快速部署。针对这一情况，无人机通信开始成为时下热门的研究领域。传统无人机通信网络通常采用无人机作为信息接收器的搭载平台，用于采集地面节点的信息。无人机通信网络的组网目标主要是基于轨迹优化算法以最小化无人机的节点遍历时间。此外，无人机需要将收集到的信息传输至地面基站，且无人机自身广播能量，转发信息的能耗需要被进一步优化，以实现系统能效最大化。作为多功能搭载平台，旋翼无人机以其机动性高，部署灵活，可靠性强，覆盖范围广等优点被广泛运用于应急通信场景下，随着无人机及WPCN网络技术的成熟，利用无人机作为可移动平台，建设基于无人机的无线携能网络(UAV-basedWirelessPoweredCommunicationNetwork,U-WPCN)具有现实可行性。搭载能量广播节点(EnergyPoint,EP)及信息接收节点(InformationPoint,IP)能一定程度上满足信号较弱，资源匮乏地区终端设备的通信需求。此外，由于无线终端设备初始能量储备存在差异性，能量状态良好的终端能够直接将信息传输给基站设备而无需无人机中继信息，能量相对匮乏的终端则需要无人机提供更多的帮助，极端情况下，初始能量为零的终端设备只能从无人机处收集到的能量，并使用这部分能量支撑其在上行链路中向无人机传输信息。基于上述考虑，提出用户通信模式选择策略能够更好的发挥无人机的效用，针对性的提升能源短缺用户的通信性能，从而实现系统资源分配的最优化。在理想状态下，搭载EP及IP的无人机可根据终端设备及地面基站所处的位置调整飞行轨迹，无线能量广播功率，信息中继转发功率，地面终端设备能够根据无人机的当前位置调整信息传输功率，系统能够根据无人机及终端设备的传输状态分配相应的时隙资源，最大化用户设备在无人机飞行周期内的信息吞吐量，解决能量匮乏场景下的终端设备通信问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种传感节点通信模式选择机制，自身能量储备充足的地面传感设备直接将信息传输给地面基站，而自身能量匮乏的传感器节点则需要将信息传输给无人机，由无人机将信息转发给地面基站。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法，包括以下步骤：步骤1、在第一个采样周期n＝1中，根据地面终端的初始能量储备情况预分配信息传输模式；地面终端的初始能量储备足以支撑以需求速率向地面基站直接传输的能耗，标记为直接传输终端GTD；地面终端的初始能量储备不足以支撑以需求速率向地面基站直接传输的能耗，标记为中继传输终端GTR；步骤2、在直接通信模式下，无人机在下行链路中向所有地面终端广播能量；步骤3、在基于TDMA协议的无人机中继通信模式下，中继传输终端GTR在下行链路中收集无人机广播的能量，并在上行链路中将信息传输给无人机，无人机在收集到中继传输终端GTR的信息后，将信息转发给地面基站；步骤4、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下TDMA协议中的时隙资源分配；步骤5、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下无人机的飞行轨迹；步骤6、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下无人机的信息传输功率分配方案；步骤7、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下地面终端GTR的信息传输功率分配方案；步骤8、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下无人机的能量广播功率分配方案；步骤9、根据步骤3给出的地面终端通信模式选择策略对终端设备进行分组，确定中继模式地面终端GTR的数量及位置，结合步骤4-8，设定初始参数后开展连续凸优化算法，依次对时隙资源分配，无人机的飞行轨迹，无人机信息的传输功率，地面终端GTR的信息传输功率，无人机的能量广播功率进行优化，而后通过多次迭代，当地面终端GTR的周期内吞吐量增长小于预设阈值时，停止优化算法，得到无人机中继系统的最优资源分配策略。本专利技术的有益效果是：采用的U-WPCRN优化策略，可以根据实际情况进行地面终端设备通信模式选择，减少无人机资源浪费的同时保障地面用户的服务质量。结合连续凸优化算法能够实现各个通信周期内通信资源分配策略的动态调整以适应地面终端数量及其初始能量储备情况的周期性变化场景，具有很强的可行性。附图说明图1是本专利技术实施例的U-WPCRN网络示意图；图2是本专利技术实施例的U-WPCRN网络中TDMA协议示意图；图3(a)是本专利技术实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量为零且均处于中继通信模式时，飞行周期T＝120秒时无人机的飞行轨迹示意图；图3(b)是本专利技术实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量为零且均处于中继通信模式时，飞行周期T＝160秒时无人机的飞行轨迹示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、在第一个采样周期n＝1中，根据地面终端的初始能量储备情况预分配信息传输模式；地面终端的初始能量储备足以支撑以需求速率向地面基站直接传输的能耗，标记为直接传输终端GTD；地面终端的初始能量储备不足以支撑以需求速率向地面基站直接传输的能耗，标记为中继传输终端GTR；步骤2、在直接通信模式下，无人机在下行链路中向所有地面终端广播能量；步骤3、在基于TDMA协议的无人机中继通信模式下，中继传输终端GTR在下行链路中收集无人机广播的能量，并在上行链路中将信息传输给无人机，无人机在收集到中继传输终端GTR的信息后，将信息转发给地面基站；步骤4、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下TDMA协议中的时隙资源分配；步骤5、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下无人机的飞行轨迹；步骤6、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下无人机的信息传输功率分配方案；步骤7、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下地面终端GTR的信息传输功率分配方案；步骤8、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下无人机的能量广播功率分配方案；步骤9、根据步骤3给出的地面终端通信模式选择策略对终端设备进行分组，确定中继模式地面终端GTR的数量及位置，结合步骤4‑8，设定初始参数后开展连续凸优化算法，依次对时隙资源分配，无人机的飞行轨迹，无人机信息的传输功率，地面终端GTR的信息传输功率，无人机的能量广播功率进行优化，而后通过多次迭代，当地面终端GTR的周期内吞吐量增长小于预设阈值时，停止优化算法，得到无人机中继系统的最优资源分配策略。...

【技术特征摘要】
1.基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、在第一个采样周期n＝1中，根据地面终端的初始能量储备情况预分配信息传输模式；地面终端的初始能量储备足以支撑以需求速率向地面基站直接传输的能耗，标记为直接传输终端GTD；地面终端的初始能量储备不足以支撑以需求速率向地面基站直接传输的能耗，标记为中继传输终端GTR；步骤2、在直接通信模式下，无人机在下行链路中向所有地面终端广播能量；步骤3、在基于TDMA协议的无人机中继通信模式下，中继传输终端GTR在下行链路中收集无人机广播的能量，并在上行链路中将信息传输给无人机，无人机在收集到中继传输终端GTR的信息后，将信息转发给地面基站；步骤4、利用连续凸优化理论，优化中继通信模式下TDMA协议中的时隙资源分配；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩乐，李德识，李少敏，黄威，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42