无人机视频中继系统及其最小化能耗的方法技术方案

本发明专利技术涉及无人机视频中继技术领域，具体公开了一种无人机视频中继系统及其最小化能耗的方法，该系统在第一基站不工作的情况下，由无人机作为中继节点连通第二基站和用户，并在第二基站和用户之间动态分配带宽，该方法基于该无人机视频中继系统，首先采用动态资源分配策略进行传输带宽和功率分配，并与无人机飞行轨迹相结合，从而将问题模型化为一个非凸优化的问题；进一步将该问题分解为两个子问题：也即发射功率和带宽分配优化子问题，以及无人机轨迹优化子问题；最后利用逐次凸近似和交替优化技术求解这两个子问题来获得满足KKT条件的次优化解。实验表明，无人机的能耗可以显著降低30％，同时可以很好地满足用户的视频体验质量要求。

【技术实现步骤摘要】
无人机视频中继系统及其最小化能耗的方法
本专利技术涉及无人机视频中继
，尤其涉及无人机视频中继系统及其最小化能耗的方法。
技术介绍
近年来，移动视频流一直在全球移动数据传输中占据主导地位(如YouTube和Netflix)。有文献预测，到2021年，视频应用将占据移动流量的63％左右。用户越来越多地使用高分辨率视频格式，如4K视频，将使得视频流量所占比例进一步增长。另一方面，随着视频服务的日益普及，尤其是小区边缘用户的日益增多，带来的网络拥塞问题也越来越严重，最终导致用户的体验质量(QoE)下降。因此，近年来的研究越来越注重满足用户视频体验质量要求的高效解决方案。为了解决上述问题，传统的方案是部署由大量小基站组成的小基站网络。然而，对于用户密度动态性变化的场景，部署大量固定的小基站带来的开销很大。近年来，利用无人机(UAV)通信可以扩大现有无线网络的覆盖范围，从而产生了许多潜在的应用。例如协助现有蜂窝网络解决网络拥塞问题，在基础设施较少的地区或在某些地面基站(BSs)由于物理损坏而无法工作的情况下提供作为中继节点的无线视频服务，通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无人机视频中继系统，其特征在于，包括不工作的第一基站，以及在所述第一基站覆盖区域内的K个用户U＝{u

【技术特征摘要】
1.无人机视频中继系统，其特征在于，包括不工作的第一基站，以及在所述第一基站覆盖区域内的K个用户U＝{u1,u2…uK}，以及与所述第一基站邻近的M个正常工作的第二基站S＝{s1,s2…sM}，以及部署在所述第二基站与所述用户之间用于视频中继的无人机，K≥2，M≥2；所述第一基站和所述第二基站具有相同的高度；所述无人机的飞行轨迹遵循时间离散法；所述无人机采用频分多址在所述第二基站和所述用户之间进行动态分配带宽，满足：



其中，xm[t]>0表示所述无人机对第m个第二基站sm分配的带宽比例，1≤m≤M；yk[t]>0表示对第k个用户uk分配的带宽比例，1≤k≤K。


2.如权利要求1所述的无人机视频中继系统，其特征在于：每个所述第二基站到所述无人机之间的通信链路采用第一信道模型；
在所述第一通道模型中，假设每个所述第二基站和所述无人机之间的信道由视距链路控制，时隙t处的基站和所述无人机之间的距离表示为：



其中，H表示所述无人机的高度，HB表示每个所述第二基站的高度，q[t]∈R2×1表示所述无人机在时隙t处的水平位置，0≤t≤T，总时间由T>0个时隙组成，
根据视距链路模型，信道功率增益表示为：



其中，β0表示1米处的信道功率增益；
设PB为每个所述第二基站的发射功率，假设PB固定，它对应于分配给通信链路的最大功率，设为时隙t中基站sm的归一化的瞬时可达速率，单位为位/秒/Hz，则表示为：



其中，xm[t]是所述无人机分配给基站sm的带宽，表示接收器处噪声N0的功率谱密度，B表示总的可用带宽。


3.如权利要求2所述的无人机视频中继系统，其特征在于：所述无人机到每个所述用户之间的链路采用第二通道模型；
在所述第二通道模型中，根据实际测量，信号反射和散射等会发生在空地通信链路中，设为时隙t时用户uk与所述无人机之间的信道系数，因此，将表示为其中和分别表示大尺度衰减系数和小尺度衰减系数；特别的，其中α≥2表示路径损耗指数，有：



假设pk[t]≥0为时隙t分配给用户uk的无人机发射功率，则无人机的总发射功率约束表示为：



其中PU是无人机在每个时隙的最大允许发射功率；在时隙t处的用户uk的归一化瞬时可达速率,由表示，单位为比特/秒/Hz，表示为：



其中yk[t]是分配给用户uk的带宽，由于是一个随机变量，也是一个随机变量，的平均速率表示为近似为：




表示平均速率的近似值。


4.如权利要求3所述的无人机视频中继系统，其特征在于：在视频点播场景中，K个用户通过所述无人机请求来自所述第二基站的不同视频内容，所述无人机从M个所述第二基站获取视频内容，然后将数据包转发给K个用户；
在每个时隙t，所述无人机只能中继已经从基站接收到的视频数据，假设所述无人机的处理延迟是一个时隙，则有以下信息因果关系的约束条件：



在约束条件(9)中，左侧表示截止时隙t-1从所有第二基站接收到的信息比特的总数，经过一个时隙处理延迟，所述无人机将其转发给所有用户，如(9)的右侧表示；
假设采用DASH进行视频流传输，根据信道条件动态调整视频速率，使用用户体验质量QoE作为性能度量，用户uk的QoE函数表示为其中θ和β表示常数参数，表示用户uk的时间平均传输速率，rk表示用户uk所需的播放速率，并有以下限制条件：



其中，Uk代表用户uk的最低QoE值。


5.如权利要求4所述的无人机视频中继系统，其特征在于，所述无人机在时隙t的总发射功率为则所述无人机的通信相关能耗表示为：



另一方面，所述无人机的推进能量消耗被推导为飞行速度v[t]的函数，即：



其中，P0和Pi是两个常数，分别表示所述无人机的叶片轮廓和用于悬停的感应功率；v0表示所述无人机悬停时的平均旋翼诱导速度；Utip表示所述无人机的旋翼桨叶的叶尖速度；d0和s分别表示所述无人机的机身阻力比和转子坚固性；A和ρ分别表示所述无人机的转子盘面积和空气密度。


6.无人机视频中继系统最小化能耗的方法，其特征在于，包括步骤：
S1.构建无人机视频中继系统的能耗最...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹成，吕竞佳，徐常元，周欣，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50