一种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法技术方案

本发明专利技术涉及—种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法，所述方法包括以下步骤：S1：基于无人机多跳中继通信系统对其轨迹优化与资源分配问题进行建模；S2：在给定无人机轨迹的情况下通过分配功率与带宽来计算最大化系统吞吐量；S3：在给定无人机功率以及带宽分配下，使用连续凸规划来优化轨迹；S4：采用联合优化无人机轨迹和源端/无人机的发射功率以及带宽分配交替优化算法使得系统的吞吐量达到最大化。本发明专利技术利用了多个无人机作为多跳中继辅助通信，通过联合优化多个无人机的飞行轨迹和带宽跟功率来达到系统的吞吐量最大化，可提高系统的吞吐量。

A path optimization and resource allocation method for multi hop relay communication system of UAV

【技术实现步骤摘要】
一种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法
本专利技术涉及无人机通信领域，更具体地，涉及—种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法。
技术介绍
随着无人机通信技术的发展与成熟，无人机在无线通信领域中发挥着越来越重要的作用。由于无人机具有高灵活性，高移动性等优势，使得无人机在很多领域充分发挥了无人机独特的优势，比如：通信受限森林火灾场所，由于近距离无法观测火势情况，利用多个无人机可以准确地将火灾情况及时有效地传送给指挥中心，使受灾情况得到最充分有效的的分析，从而准确高效的制定救火方案，为救灾赢得宝贵的时间。与传统的给定带宽进行无人机中继轨迹以及功率优化相比，没有充分利用带宽资源，通过联合优化多个无人机的飞行轨迹、通信带宽、传输功率使得有限的通信资源得到充分有效的使用，从而显著提高端到端的吞吐量。近年来，无线中继技术得到了充分的关注和发展。相比于传统的通信技术，中继辅助传输的多跳通信技术可以显著扩大通信网络的覆盖范围、提高通信系统可靠性和增加系统通信容量。目前研究重点主要集中在中继的最优布置、飞行轨迹和网络性能优化等问题，对于带宽分配的研究较少，带宽作为中继通信系统的重要资源，它的分配问题将直接影响各条通信链路的性能，进而影响整个通信系统的能量效率。我们通过对无人机多跳中继通信系统的带宽分配、功率分配与轨迹进行优化，在通信资源日趋紧张的时代，使得带宽等通信资源得到更加合理有效的使用，增加了整个系统的吞吐量。在通信资源日益紧缺的时代，如何合理有效的使用通信资源是我们需要解决的重要问题。目前已有的专利中，专利号为“201810769377.1”的名为“一种无线通信方法、装置、设备及可读存储介质”中，对无人机中继的飞行轨迹以及传输功率进行了优化，并没有对通信带宽进行优化处理。针对这个问题，此篇专利通过联合优化多个无人机的飞行轨迹、通信带宽、传输功率来达到系统吞吐量的最大化，使得有限的带宽等通信资源得到最有效的使用。目前，随着科技的不断发展，可以使用的通信资源是越发的紧张有限。在通信资源有限的情况下，通过对带宽等通信资源进行合理有效的分配，使得通信资源得到最有效的使用。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的无人机通信系统优化没有对通信带宽进行优化处理的缺陷，提供—种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法。所述方法包括以下步骤：S1：基于无人机多跳中继通信系统对其轨迹优化与资源分配问题进行建模；S2：在给定无人机轨迹的情况下通过分配功率与带宽来计算最大化系统吞吐量；S3：在给定无人机功率以及带宽分配下，使用连续凸规划来优化轨迹；S4：采用联合优化无人机轨迹和源端/无人机的发射功率以及带宽分配交替优化算法使得系统的吞吐量达到最大化。优选地，S1包括以下步骤：S1.1：计算无人机在每个时隙所能飞行的最大距离：设无人机多跳中继通信系统中无人机的个数为M，表示为集合设无人机飞行高度H不变，飞行时间为T，将T划分成N个时隙，时隙长度为δt，使得无人机的位置在每个时隙隙内可以看做是不变的，则第m个无人机中继轨迹表示为序列qm(t)＝[xm(t),ym(t)]T，设源端位置是目的端的位置为其中ws＝[0,0],wd＝[L,0]；飞行最大速度为vmax，则有V＝vmaxδt，表示无人机在每个时隙所能飞行的最大距离；其中，运动约束为：其中，qm[1]为第m个无人机中继在第一个时隙的位置信息，q0,m为第m个无人机中继初始位置信息，qF,m为第m个无人机中继最终位置信息，qm[N]为第m个无人机中继在第N个时隙的位置信息，qm[n]为第m个无人机中继在第n个时隙的位置信息；无人机之间的冲突避免约束为：其中dmin为第m个无人机中继在第n个时隙的位置信息，qk[n]为第k个无人机中继在第n个时隙的位置信息，k为表示第k个无人机；S1.2：设通信信道是视距信道，求无人机中继信道功率增益：源端至第1个无人机中继信道功率增益表示为：其中，β0为表示参考距离为d0＝1米时的信道功率增益，hs,1[n]为源端到第一个无人机中继的信道功率增益，为源端到第一个无人机的距离大小，q1[n]为第1个无人机中继在第n个时隙的位置信息；第m个无人机到第m+1个无人机中继信道功率增益为：第M个无人机中继到目的端的信道功率增益：其中，qM[n]为第M个无人机中继在第n个时隙的位置信息；S1.3：确定带宽约束，带宽约束为：其中，as,1[n]表示在第n个时隙，从源到第一个无人机中继的链路分配的总带宽的比例，am,m+1[n]表示在第n个时隙，第m个无人机到第m+1个无人机中继链路分配的总带宽的比例，aM,d[n]表示在第n个时隙，第M个无人机中继到目的端链路分配的总带宽的比例；S1.4：求解有源端至无人机链路信息传输速率：在第n个时隙，用Ps[n]和Pm[n]表示源端以及第m个无人机中继的传输功率，这些都受制于平均功率和峰值功率限制：故有源端至第1个无人机链路信息传输速率：其中总可用带宽为B，Ps[n]表示源端第n个时刻的发射功率，N0表示接收器处的加性高斯白噪声(AWGN)的功率谱密度；为源端平均传输功率；Ps,max为源端最大传输功率；第m个无人机至第m+1个无人机链路信息传输速率，最后一个无人机至目的端的链路信息传输速率分别为：其中，为第m个无人机平均传输功率，Pm,max为第m个无人机最大传输功率；hm,m+1[n]为第m个无人机中继到第M个无人机中继的信道功率增益，N0为接收机加性高斯白噪声的功率谱密度；hM,d[n]为第M个无人机中继到目的端的信道功率增益；信息因果约束为：R1[i]为在第i个时刻从从第一个无人机到第二个无人机的可实现速率，Rs[i]为在第i个时刻从源端到第一个无人机的可实现速率，Rm[i]为在第i个时刻从从第m-1个无人机到第m个无人机的可实现速率，RM[i]为在第i个时刻从从第M-1个无人机到第M个无人机的可实现速率；S1.5：设每个无人机中继的信息处理时延为一个时隙，因此进一步有发射功率约束以及带宽约束为：其中，Pm[n]为第m个无人机中继在第n个时隙的功率；PM[n]为第M个无人机中继在第n个时隙的功率；S1.6：计算端到端的吞吐量，计算公式为：其中，为在第n个时刻从从第M-1个无人机到第M个无人机的平均可实现速率；RM[n]为在第n个时刻从从第M-1个无人机到第M个无人机的可实现速率；S1.7：构建问题模型：问题模型P1为：Subjectto(1)—(4)，(8)—(16)其中，优选地，S2具体为：当无人机轨迹给定的情况下，固定值可以用一个式子来表示：根据问题P1考虑给定无人机轨迹的情况下构建问题P2：(3)，(4)，(8)—(16)此问题由于约束(19)-(21)的左式关于Pm[n]是非凸的，因此，引入松弛变量tm[n]，那么问题P2可以转换为P3重新表示为：(3)，(4)，(8)—(16)其中，tM[n]为当无人机轨迹给定时RM[n]信息传输速率在第n个时隙的松弛变量，tm[i]为信息传输速率对于所有的n，当n＝i时的松弛变量；上面的问题约束(22)，(23)，(24)满足严格不等式，得到的问题P2是一个凸优化问题，可以通过内点法求解。优选地，S3具体为：根据问题P1考虑给定了无人机功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.—种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：基于无人机多跳中继通信系统对其轨迹优化与资源分配问题进行建模；S2：在给定无人机轨迹的情况下通过分配功率与带宽来计算最大化系统吞吐量；S3：在给定无人机功率以及带宽分配下，使用连续凸规划来优化轨迹；S4：采用联合优化无人机轨迹和源端/无人机的发射功率以及带宽分配交替优化算法使得系统的吞吐量达到最大化。

【技术特征摘要】
1.—种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：基于无人机多跳中继通信系统对其轨迹优化与资源分配问题进行建模；S2：在给定无人机轨迹的情况下通过分配功率与带宽来计算最大化系统吞吐量；S3：在给定无人机功率以及带宽分配下，使用连续凸规划来优化轨迹；S4：采用联合优化无人机轨迹和源端/无人机的发射功率以及带宽分配交替优化算法使得系统的吞吐量达到最大化。2.根据权利要求1所述的无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法，其特征在于，S1包括以下步骤：S1.1：计算无人机在每个时隙所能飞行的最大距离：设无人机多跳中继通信系统中无人机的个数为M，表示为集合设无人机飞行高度H不变，飞行时间为T，将T划分成N个时隙，时隙长度为δt，使得无人机的位置在每个时隙隙内可以看做是不变的，则第m个无人机中继轨迹表示为序列qm(t)＝[xm(t),ym(t)]T，设源端位置是目的端的位置为其中ws＝[0,0],wd＝[L,0]；飞行最大速度为vmax，则有V＝vmaxδt，表示无人机在每个时隙所能飞行的最大距离；其中，运动约束为：其中，qm[1]为第m个无人机中继在第一个时隙的位置信息，q0,m为第m个无人机中继初始位置信息，qF,m为第m个无人机中继最终位置信息，qm[N]为第m个无人机中继在第N个时隙的位置信息，qm[n]为第m个无人机中继在第n个时隙的位置信息；无人机之间的冲突避免约束为：其中dmin为第m个无人机中继在第n个时隙的位置信息，qk[n]为第k个无人机中继在第n个时隙的位置信息，k为表示第k个无人机；S1.2：设通信信道是视距信道，求无人机中继信道功率增益：源端至第1个无人机中继信道功率增益表示为：其中，β0为表示参考距离为d0＝1米时的信道功率增益，hs,1[n]为源端到第一个无人机中继的信道功率增益，为源端到第一个无人机的距离大小，q1[n]为第1个无人机中继在第n个时隙的位置信息；第m个无人机到第m+1个无人机中继信道功率增益为：第M个无人机中继到目的端的信道功率增益：其中，qM[n]为第M个无人机中继在第n个时隙的位置信息；S1.3：确定带宽约束，带宽约束为：其中，as,1[n]表示在第n个时隙，从源到第一个无人机中继的链路分配的总带宽的比例，am,m+1[n]表示在第n个时隙，第m个无人机到第m+1个无人机中继链路分配的总带宽的比例，aM,d[n]表示在第n个时隙，第M个无人机中继到目的端链路分配的总带宽的比例；S1.4：求解有源端至无人机链路信息传输速率：在第n个时隙，用Ps[n]和Pm[n]表示源端以及第m个无人机中继的传输功率，这些都受制于平均功率和峰值功率限制：故有源端至第1个无人机链路信息传输速率：其中总可用带宽为B，Ps[n]表示源端第n个时刻的发射功率，N0表示接收器处的加性高斯白噪声的功率谱密度；为源端平均传输功率；Ps,max为源端最大传输功率；第m个无人机至第m+1个无人机链路信息传输速率，最后一个无人机至目的端的链路信息传输速率分别为：其中，为第m个无人机平均传输功率，Pm,max为第m个无人机最大传输功率；hm,m+1[n]为第m个无人机中继到第M个无人机中继的信道功率增益，N0为接收机加性高斯白噪声的功率谱密度；hM,d[n]为第M个无人机中继到目的端的信道功率增益；信息因果约束为：R1[i]为在第i个时刻从从第一个无人机到第二个无人机的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广驰，樊静窈，崔苗，林凡，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44