无人机通信网络的能量效率优化方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供一种无人机通信网络的能量效率优化方法和装置，该方法包括：基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果；其中，无人机通信能量效率最大化模型包括能量效率最大化函数和约束条件，能量效率最大化函数的自变量包括功率分配结果与用户悬停时间分配结果，约束条件包括单机通信能量约束条件、单机发射功率约束条件、机群悬停时间约束条件以及用户悬停时间约束条件中的至少一种；基于功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果控制无人机群建立通信网络。本发明专利技术实施例提供的方法和装置，提升了无人机通信网络的能量效率，延长了无人机通信网络的续航时间。

Energy Efficiency Optimization Method and Device for UAV Communication Network

【技术实现步骤摘要】
无人机通信网络的能量效率优化方法和装置
本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种无人机通信网络的能量效率优化方法和装置。
技术介绍
随着无线通信技术的广泛应用，用户对于通信服务质量的需求不断提升，相应的对于基站服务能力的需求也有进一步提升。由于将基站放在空中的无人机上可以显著提高无线通信的信道质量，进而提高基站的服务能力，无人机通信网络的设计正获得业界的广泛关注。作为基站的无人机可以利用较好的信道质量为用户提供高数据率服务，但是受到本身的体积和重量的限制，无人机大多使用电池供电。这也导致了无人机在飞行过程中能够使用总能量会受到严重限制，进而影响到无人机持续为用户提供服务的能力。现有研究一般利用两种思路来解决这一问题，一种思路是在能量受限的条件下，尽可能提高无人机使用能量的效率；另一种思路则是通过增加无人机的数量，利用多无人机间的协作突破能量的限制。现有方法多采用两种思路之一对无人机群的能量效率进行优化，然而难以克服能量使用效率较低的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种无人机通信网络的能量效率优化方法和装置，用以解决现有的无人机受能量限制导致持续为用户提供服务的能力弱的问题。第一方面，本专利技术实施例提供一种无人机通信网络的能量效率优化方法，包括：基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果；其中，所述无人机通信能量效率最大化模型包括能量效率最大化函数和约束条件，所述能量效率最大化函数的自变量包括功率分配结果与用户悬停时间分配结果，所述约束条件包括单机通信能量约束条件、单机发射功率约束条件、机群悬停时间约束条件以及用户悬停时间约束条件中的至少一种；基于所述功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果控制无人机群建立通信网络。优选地，所述基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果，之前还包括：基于所述无人机群的总数据量和总消耗能量，获取无人机通信能量效率公式；其中，所述无人机群的总数据量是基于每一用户的大尺度信道信息表示的；基于所述无人机通信能量效率公式构建所述无人机通信能量效率最大化模型。优选地，所述基于所述无人机群的总数据量和总消耗能量，获取无人机通信能量效率公式，具体包括：通过如下公式表示所述无人机的总数据量D(P,T)：式中，P为功率分配结果，T为用户悬停时间分配结果；Tn为无人机群在服务第n个用户时的悬停时间，N为用户总数；In为单位矩阵，为高斯噪声功率；Ln和Sn分别为第n个用户的大尺度信道信息和小尺度信道信息；Pn为无人机群在服务第n个用户时的发射功率集合；通过如下公式表示所述无人机群的总消耗能量E(P,T)：式中，c为功率损失系数，pn,k为第k个无人机在服务第n个用户时的发射功率，K为无人机总数；ηk为第k个无人机的发射效率；Pind为无人机群的悬停消耗功率，Ttotal为最大总悬停时间；基于所述无人机群的总数据量和总消耗能量，获取无人机通信能量效率公式如下：式中，η(P,T)为无人机通信能量效率，ES{D(P,T)}为传输总数据量D(P,T)所需的能量。优选地，所述基于所述无人机通信能量效率公式构建所述无人机通信能量效率最大化模型，具体包括：基于所述无人机通信能量效率公式构建所述无人机通信能量效率最大化模型，包括：能量效率最大化函数：单机通信能量约束条件：单机发射功率约束条件：0≤pn,k≤pmax,n＝1,...,N,k＝1,...,K；机群悬停时间约束条件：用户悬停时间约束条件：0≤Tn≤Tmax,n＝1,...,N；其中，Ek为第k个无人机能发出的最大通信能量，pmax为任一无人机的最大发射功率，Tmax为最大悬停时间。优选地，所述基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果，具体包括：将所述无人机通信能量效率最大化模型分解为以所述功率分配结果为自变量的第一模型和以所述用户悬停时间分配结果为自变量的第二模型；对所述第一模型和所述第二模型进行迭代求解，获取所述功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果。优选地，所述将所述无人机通信能量效率最大化模型分解为以所述功率分配结果为自变量的第一模型和以所述用户悬停时间分配结果为自变量的第二模型，具体包括：对所述能量效率最大化函数进行简化，得到简化最大化函数如下：式中，P为功率分配结果，T为用户悬停时间分配结果，w为由P决定的变量；Da(P,T,w)为传输总数据量所需的能量，E(P,T)为无人机群的总消耗能量；分解所述简化最大化函数和所述约束条件，得到以所述功率分配结果为自变量的第一模型中的最大化函数如下：式中，Pi和wi分别为第i次迭代下的P和w，Ti-1为第i-1次迭代下的T；所述第一模型对应的约束条件包括所述单机通信能量约束条件和所述单机发射功率约束条件；以所述用户悬停时间分配结果为自变量的第二模型中的最大化函数如下：式中，Pi、Ti和wi分别为第i次迭代下的P、T和w；所述第二模型对应的约束条件包括所述单机通信能量约束条件、所述机群悬停时间约束条件以及所述用户悬停时间约束条件。优选地，所述对所述第一模型和所述第二模型进行迭代求解，获取所述功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果，具体包括：求解所述第一模型，获取当前功率分配结果；若所述当前功率分配结果和上一功率分配结果不满足第一预设条件，则基于所述当前功率分配结果迭代更新所述第二模型，并求解所述第二模型，获取当前用户悬停时间分配结果；否则，将所述当前功率分配结果作为功率分配优化结果，将所述第一模型中的用户悬停时间分配结果作为用户悬停时间分配优化结果；基于所述当前用户悬停时间分配结果，迭代更新所述第一模型，并再次求解所述第一模型。第二方面，本专利技术实施例提供一种无人机通信网络的能量效率优化装置，包括：优化单元，用于基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果；其中，所述无人机通信能量效率最大化模型包括能量效率最大化函数和约束条件，所述能量效率最大化函数的自变量包括功率分配结果与用户悬停时间分配结果，所述约束条件包括单机通信能量约束条件、单机发射功率约束条件、机群悬停时间约束条件以及用户悬停时间约束条件中的至少一种；执行单元，用于基于所述功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果控制无人机群建立通信网络。第三方面，本专利技术实施例提供一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过总线完成相互间的通信，处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如第一方面所提供的方法的步骤。第四方面，本专利技术实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。本专利技术实施例提供的一种无人机通信网络的能量效率优化方法和装置，基于包含能量效率最大化函数，以及单机通信能量约束条件、单机发射功率约束条件、机群悬停时间约束条件以及用户悬停时间约束条件中的至少一种的无人机通信能量效率最大化模型，获取功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果，使得无人机通信网络的能量效率得到了极大的提升，削弱了电池供电对无人机通信网络的能量限制给无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机通信网络的能量效率优化方法，其特征在于，包括：基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果；其中，所述无人机通信能量效率最大化模型包括能量效率最大化函数和约束条件，所述能量效率最大化函数的自变量包括功率分配结果与用户悬停时间分配结果，所述约束条件包括单机通信能量约束条件、单机发射功率约束条件、机群悬停时间约束条件以及用户悬停时间约束条件中的至少一种；基于所述功率分配优化结果与所述用户悬停时间分配优化结果控制所述无人机群建立通信网络。

【技术特征摘要】
1.一种无人机通信网络的能量效率优化方法，其特征在于，包括：基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果；其中，所述无人机通信能量效率最大化模型包括能量效率最大化函数和约束条件，所述能量效率最大化函数的自变量包括功率分配结果与用户悬停时间分配结果，所述约束条件包括单机通信能量约束条件、单机发射功率约束条件、机群悬停时间约束条件以及用户悬停时间约束条件中的至少一种；基于所述功率分配优化结果与所述用户悬停时间分配优化结果控制所述无人机群建立通信网络。2.根据权利要求1所述的无人机通信网络的能量效率优化方法，其特征在于，所述基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果，之前还包括：基于所述无人机群的总数据量和总消耗能量，获取无人机通信能量效率公式；其中，所述无人机群的总数据量是基于每一用户的大尺度信道信息表示的；基于所述无人机通信能量效率公式构建所述无人机通信能量效率最大化模型。3.根据权利要求2所述的无人机通信网络的能量效率优化方法，其特征在于，所述基于所述无人机群的总数据量和总消耗能量，获取无人机通信能量效率公式，具体包括：通过如下公式表示所述无人机的总数据量D(P,T)：式中，P为功率分配结果，T为用户悬停时间分配结果；Tn为无人机群在服务第n个用户时的悬停时间，N为用户总数；In为单位矩阵，为高斯噪声功率；Ln和Sn分别为第n个用户的大尺度信道信息和小尺度信道信息；Pn为无人机群在服务第n个用户时的发射功率集合；通过如下公式表示所述无人机群的总消耗能量E(P,T)：式中，c为功率损失系数，pn,k为第k个无人机在服务第n个用户时的发射功率，K为无人机总数；ηk为第k个无人机的发射效率；Pind为无人机群的悬停消耗功率，Ttotal为最大总悬停时间；基于所述无人机群的总数据量和总消耗能量，获取无人机通信能量效率公式如下：式中，η(P,T)为无人机通信能量效率，ES{D(P,T)}为传输总数据量D(P,T)所需的能量。4.根据权利要求3所述的无人机通信网络的能量效率优化方法，其特征在于，所述基于所述无人机通信能量效率公式构建所述无人机通信能量效率最大化模型，具体包括：基于所述无人机通信能量效率公式构建所述无人机通信能量效率最大化模型，包括：能量效率最大化函数：单机通信能量约束条件：单机发射功率约束条件：0≤pn,k≤pmax,n＝1,...,N,k＝1,...,K；机群悬停时间约束条件：用户悬停时间约束条件：0≤Tn≤Tmax,n＝1,...,N；其中，Ek为第k个无人机能发出的最大通信能量，pmax为任一无人机的最大发射功率，Tmax为最大悬停时间。5.根据权利要求1所述的无人机通信网络的能量效率优化方法，其特征在于，所述基于无人机通信能量效率最大化模型，获取无人机群的功率分配优化结果与用户悬停时间分配优化结果，具体包括：将所述无人机通信能量效率最大化模型分解为以所述功率分配结果为自变...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯伟，刘承骁，葛宁，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11