一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法，包括步骤：S1、利用无人机搭建同时为多个行进车辆服务的无人机辅助行进车辆通信系统；S2、通过无人机辅助行进车辆通信系统辅助多个行进车辆进行通信；S3、建立无人机辅助行进车辆通信系统的优化问题：无人机与车辆k之间的通信传输速率总和最大化问题P1；S4、在考虑了车辆移动和环境因素的情形下，求解无人机与车辆k之间的通信传输速率总和最大化问题P1，从而优化变量：无人机飞行轨迹、子载波分配和各个子载波的功率分配。本发明专利技术不单使得无人机能辅助多个行进车辆进行通信，还在考虑了车辆的移动和环境因素的情形下，对无人机飞行轨迹、子载波分配和各个子载波发射功率分配进行联合优化。配进行联合优化。配进行联合优化。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法


[0001]本专利技术涉及多车辆通信的
，尤其涉及到一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法。

技术介绍

[0002]随着移动通信技术的发展，结合无人机与通信技术的研究已成为一项热门研究，而对于无人机互联网的愿景也激发了人们对部署无人机以及自动化各种应用。例如在应急通信场景中，由于地震海啸等自然灾害的发生，地面通信设施被遭受损坏导致无法正常通信，通过无人机的快速部署实现应急通信。相比传统的地面无线通信系统，无人机结合无线通信技术具有更大的优势。而且无人机通信受信道的阴影效应和衰落带来的影响较小，建立视距传播链路的可能性高，空对地的通信信道更加可靠，能够避免不必要的干扰。
[0003]基于无人机的高移动性和快速部署优势，通过空对地模型协助车辆完成通信，能够显著提升车辆未来行驶路径预测的准确性，并为紧急通信提供了可靠的实现途径。对于车联网技术结合无线通信技术和互联网接入技术，使车辆及时获取道路信息、完成路径规划、及时变换车道、有效发出碰撞预警从而实现智能驾驶。
[0004]对于无人机作为移动基站的场景，目前已有无人机辅助用户通信的相关研究，在[1]Y.Sun,D.Xu,D.W.K.Ng,L.Dai and R.Schober,"Optimal 3D
‑
Trajectory Design and Resource Allocation for Solar
‑
Powered UAV Communication Systems,"in IEEE Transactions on Communications,vol.67,no.6,pp.4281
‑
4298,June 2019,doi:10.1109/TCOMM.2019.2900630.中，提出了基于太阳能无人机的辅助多地面用户的通信系统，考虑地面用户在静止的状态下联合优化无人机的飞行轨迹和资源分配问题。在[2]Y.Zeng,J.Xu and R.Zhang,"Energy Minimization for Wireless Communication With Rotary
‑
Wing UAV,"in IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.18,no.4,pp.2329
‑
2345,April 2019,doi:10.1109/TWC.2019.2902559.中，作者基于多用户静止的场景，提出了旋转翼无人机的能量模型，通过优化无人机的飞行轨迹，从而实现节能通信。在已有方案[3]Z.Liu,G.Huang,Q.Zhong,H.Zheng and S.Zhao,"UAV
‑
Aided Vehicular Communication Design With Vehicle Trajectory
’
s Prediction,"in IEEE Wireless Communications Letters,vol.10,no.6,pp.1212
‑
1216,June 2021,doi:10.1109/LWC.2021.3062326.中，作者提出了无人机与单个地面行进车辆通信能效最大化问题，其中无人机服务于单个地面行进车辆实现辅助通信技术。
[0005]虽然已有部分研究关于地面多用户静止状态的场景，但在现有的无人机辅助通信系统中，若不考虑地面用户移动的情形，直接忽略用户的位置移动和环境因素造成的影响，将导致系统性能变差，与实际情况不相符。还有的是，对于已有的单个行进车辆无人机辅助通信方案，实现场景较单一，其结果无法扩展至多个行进车辆的情形。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法，不单使得无人机能辅助多个行进车辆进行通信，还能在考虑了车辆的移动和环境因素的情形下，对无人机飞行轨迹、子载波变量和发射功率进行联合优化。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：
[0008]一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法，包括以下步骤：
[0009]S1、利用无人机搭建同时为多个行进车辆服务的无人机辅助行进车辆通信系统；
[0010]S2、通过搭建的无人机辅助行进车辆通信系统辅助多个行进车辆k进行通信，k＝{1,
…
,K}，K为需要服务的行进车辆的数量；
[0011]S3、建立无人机辅助行进车辆通信系统的优化问题：无人机与车辆k之间的通信传输速率总和最大化问题P1；
[0012]S4、在考虑了车辆移动和环境因素的情形下，求解无人机与车辆k之间的通信传输速率总和最大化问题P1，从而优化变量：无人机飞行轨迹、子载波变量和发射功率。
[0013]进一步地，所述步骤S1中，搭建无人机辅助行进车辆通信系统具体包括：
[0014]设无人机在恒定的高度h飞行，最大水平飞行速度限定为V
max
；所有车辆k均同时从同一起始点出发，无人机和车辆k的起始点位置均为w0，车辆行驶的终点水平坐标位置为w
F
；无人机通信传输时间为T，将其离散为N
T
个等长时隙，每个时隙的持续时间为δ
t
，当δ
t
趋近于0时，假定在每个时隙内无人机的位置大致不变；无人机的位置坐标表示为r[n]＝(x
u
[n],y
u
[n],h)，车辆k的位置坐标为r
k
[n]＝(x
k
[n],y
k
[n],0)，两者的水平坐标分别为q[n]＝(x
u
[n],y
u
[n])，w
k
[n]＝(x
k
[n],y
k
[n])，其中n∈{1,
…
,N
T
}；无人机与车辆k在第n个时隙的传输距离表示为：
[0015][0016]对于在第n个时隙，无人机与车辆k的信道系数为对于在第n个时隙，无人机与车辆k的信道系数为表示受路径损耗影响的大尺度衰落,β0表示大尺度衰落因子，α表示信道路径损耗指数，表示小尺度衰落的信道系数；
[0017]通信信道传输的总带宽为W(Hz)，均等划分为N
F
个正交子载波，其中任意一个子载波i只能分配给一个用户；定义一个二进制变量表示子载波分配策略，当时，车辆k在第n个时隙使用第i个子载波进行传输，否则则有子载波分配约束：
[0018][0019]在时隙n中，第i个子载波上无人机与车辆k的发射功率表示为装载在无人机上的发射机的最大发射功率为P
max
；B＝W/N
F
表示一个子载波的带宽；在第n时隙，第k个车辆与无人机之间可实现的数据传输速率表示为：
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用无人机搭建同时为多个行进车辆服务的无人机辅助行进车辆通信系统；S2、通过搭建的无人机辅助行进车辆通信系统辅助多个行进车辆k进行通信，k＝{1,
…
,K}，K为需要服务的行进车辆的数量；S3、建立无人机辅助行进车辆通信系统的优化问题：无人机与车辆k之间的通信传输速率总和最大化问题P1；S4、在考虑了车辆移动和环境因素的情形下，求解无人机与车辆k之间的通信传输速率总和最大化问题P1，从而优化变量：无人机飞行轨迹、子载波变量和发射功率。2.根据权利要求1所述的一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，搭建无人机辅助行进车辆通信系统具体包括：设无人机在恒定的高度h飞行，最大水平飞行速度限定为V
max
；所有车辆k均同时从同一起始点出发，无人机和车辆k的起始点位置均为w0，车辆行驶的终点水平坐标位置为w
F
；无人机通信传输时间为T，将其离散为N
T
个等长时隙，每个时隙的持续时间为δ
t
，当δ
t
趋近于0时，假定在每个时隙内无人机的位置大致不变；无人机的位置坐标表示为r[n]＝(x
u
[n],y
u
[n],h)，车辆k的位置坐标为r
k
[n]＝(x
k
[n],y
k
[n],0)，两者的水平坐标分别为q[n]＝(x
u
[n],y
u
[n])，w
k
[n]＝(x
k
[n],y
k
[n])，其中n∈{1,
…
,N
T
}；无人机与车辆k在第n个时隙的传输距离表示为：对于在第n个时隙，无人机与车辆k的信道系数为对于在第n个时隙，无人机与车辆k的信道系数为表示受路径损耗影响的大尺度衰落,β0表示大尺度衰落因子，α表示信道路径损耗指数，表示小尺度衰落的信道系数；通信信道传输的总带宽为W(Hz)，均等划分为N
F
个正交子载波，其中任意一个子载波i只能分配给一个用户；定义一个二进制变量表示子载波分配策略，当时，车辆k在第n个时隙使用第i个子载波进行传输，否则则有子载波分配约束：在时隙n中，第i个子载波上无人机与车辆k的发射功率表示为装载在无人机上的发射机的最大发射功率为P
max
；B＝W/N
F
表示一个子载波的带宽；在第n时隙，第k个车辆与无人机之间可实现的数据传输速率表示为：其中，σ2表示加性高斯白噪声在车辆k的接收机处子载波i的方差，Γ＞1表示所采用的实际调制和编码方案与信道容量的差距；为保证无人机对车辆k在任意时隙均满足通信数据量要求,则有：
Q
k
为总共需接收的数据量。3.根据权利要求1所述的一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，无人机采用正交频分多址接入方法以辅助多个行进车辆k进行通信。4.根据权利要求2所述的一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法，其特征在于，所述步骤S3中，建立的无人机与车辆之间的通信传输速率总和最大化问题P1具体为：(P1)：s.t.s.t.s.t.s.t.s.t.s.t.q0＝w0ꢀꢀꢀꢀ
(12)其中，优化变量为无人机的飞行轨迹q[n]、子载波变量发射功率5.根据权利要求4所述的一种无人机辅助行进车辆通信系统优化方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：S4
‑
1、设定处理周期j＝1，初始化所有车辆的起始位置w0和各个车辆k当前所处位置S4
‑
2、设定迭代次数m＝0，定义各个车辆的初始发射功率误差阈值为ε；S4
‑
3、根据短期路径预测方法获取所有车辆k＝{1,
…
,K}在未来的行驶轨迹，从而获得无人机的飞行轨迹；S4
‑
4、求解无人机与车辆k之间的通信传输速率总和最大化问题P1，得到局部解{Θ
*
,Ξ
*
,Ψ
*
}以及目标函数值S4
‑
5、更新迭代变量Ξ
(m+1)
＝Ξ
*
,Ψ
(m+1)
＝Ψ
*
；
S4
‑
6、判断是否所有车辆的数据传输速率和均满足6、判断是否所有车辆的数据传输速率和均满足和表示对应的第j个处理周期中第k个车辆在未来几秒内的短期路径预测所对应的数据传输量的预测值，若是，则输出当前的优化解Θ
*
＝Θ
(m)
,Ξ
*
＝Ξ
(m)
,Ψ
*
＝Ψ
(m)
，否则，更新迭代次数m＝m+1，并返回步骤S4
‑
4；S...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄高飞，谢怡佳，郑晖，赵赛，唐冬，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：