基于全双工中继的UAV空中计算系统及轨迹和功率优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全双工中继的UAV空中计算系统及轨迹和功率优化方法，本发明专利技术的UAV空中计算系统采用UAV作为全双工中继进行数据汇聚与转发；本发明专利技术的方法建立以最小化空中计算时间平均均方误差为目标，求解在传感器发射功率、信息传输速率、UAV轨迹和去噪声因子约束下的最优化问题，对于整体的联合优化问题，根据优化变量的高度耦合采用交替优化的方法逐个确定每一个优化变量。本发明专利技术实现了通信速率保障下的均方误差最小化，将最优化问题分解为四个独立的子优化问题，以低复杂度算法实现了UAV轨迹和功率的优化。现了UAV轨迹和功率的优化。现了UAV轨迹和功率的优化。

【技术实现步骤摘要】
基于全双工中继的UAV空中计算系统及轨迹和功率优化方法


[0001]本专利技术涉及UAV空中计算系统及轨迹和功率优化方法，尤其涉及一种基于全双工中继的UAV空中计算系统及轨迹和功率优化方法。

技术介绍

[0002]由于移动性强、配置灵活以及视距链路等优点，无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)在无线通信领域的应用日益广泛，无人机在环境恶劣的野外也能移动到距离传感器足够近的地方，可避免长距离的信息传输，节省传感器的功率，噪声的影响。在空对地传输中，无人机高度高，通常与传感器之间是视距无线传输，可以降低信道深度衰落的概率。由于传感器和基站之间往往不能够直接进行通信，采用UAV作为中继成为基于UAV的物联网信息采集的重要研究方向。
[0003]2021年，Min Fu等人上发表的“UAV
‑
Assisted Over
‑
the
‑
Air Computation”中提出了利用UAV的高机动性和无线视距传输的能力来辅助空中计算系统，最大限度地减少了空中计算的均方误差。在该系统中，UAV通过机载基站聚合接收来自传感器的信息，在单个时隙实现多个传感器数据的传输并聚合，但在环境复杂的无线传感器网络中，传感器与基站之间无法直接进行通信。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种能实现传感器与基站直接通信的基于全双工中继的UAV空中计算系统及轨迹和功率优化方法。
[0005]技术方案：本专利技术的UAV空中计算系统，包括一个基站、一个UAV和多个放置在地面的传感器；
[0006]基站接收来自UAV的信息；多个传感器同时向UAV传输信息；
[0007]UAV作为全双工中继，工作于聚合
‑
转发模式，接收多个传感器传输的聚合信息，同时向基站传输信息。
[0008]UAV通过空中计算的方式采集汇聚传感器的数据，并通过全双工中继的方式转发至基站；所述UAV按照优化后的飞行轨迹飞行。
[0009]本专利技术的轨迹和功率优化方法，包括步骤如下：
[0010]S1，以UAV飞行的初始位置为原点建立坐标系，在传感器、UAV发射功率和信息传输速率的约束下，联合优化在传感器发射功率、UAV飞行轨迹和去噪声因子，以最小化空中计算系统的时间平均均方误差为目标，建立最优化问题；将最优化问题分解为去噪声因子η[n]优化子问题、传感器发射功率p
k
[n]优化子问题、UAV发射功率P[n]优化子问题、UAV飞行位置q[n]优化子问题；
[0011]S2,采用迭代优化的算法逐步求解每个优化子问题；
[0012]S3,根据步骤S2，得到最优的去噪声因子η[n]、传感器发射功率p
k
[n]、UAV发射功率P[n]和UAV飞行位置q[n]。
[0013]进一步，所述步骤S1中，在坐标系下建立最优化问题，所述最优化问题的表达式为：
[0014][0015][0016][0017]η[n]≥0
[0018]||q[n]‑
q[n
‑
1]||2≤V
max
δ,n＝1,2...N
[0019]q[0]＝[x0,y0][0020]q[N]＝[x
N
,y
N
][0021][0022]其中，为UAV空中计算系统的时间平均均方误差，与p
k
[n]、P[n]、q[n]、η[n]相关，p
k
[n]为时隙n传感器k的发射功率，P[n]为时隙nUAV的发射功率，q[n]为时隙n无人机飞行位置，η[n]为时隙n的去噪声因子；w
k
为传感器的固定水平位置，w为基站的水平位置，β0为单位距离下的信道增益，σ2为加性高斯白噪声功率，β
u
为自干扰消除系数，L为UAV发送端到接收端的距离，H为UAV飞行时不需要进行升降的最低飞行高度，G
min
为UAV
‑
BS之间的最小信息传输速率，α路径损耗指数且α≥2；N为持续时间T的时隙数，T＝Nδ，其中δ表示为时间步长；V
max
为UAV最大飞行速度。
[0023]进一步，所述步骤S1中，所述去噪声因子优化子问题的表达式为：
[0024][0025]在优化去噪声因子η[n]时，需要给定传感器k的发射功率p
k
[n]、UAV发射功率P[n]和无人机飞行轨迹q[n]。
[0026]进一步，所述步骤S1中,所述传感器发射功率优化子问题的表达式为：
[0027][0028][0029][0030]在优化传感器k的发射功率p
k
[n]时，需要给定去噪声因子η[n]、UAV发射功率P[n]和无人机飞行位置q[n]。
[0031]进一步，所述步骤S1中，所述UAV发射功率优化子问题的表达式为：
[0032][0033][0034]在优化UAV发射功率P[n]时，需要给定去噪声因子η[n]、传感器k的发射功率p
k
[n]和无人机飞行位置q[n]。
[0035]进一步，所述步骤S1中，采用凸优化的方法对所述UAV飞行轨迹优化子问题进行优化，所述UAV飞行轨迹优化子问题的表达式为：
[0036][0037]subject to||q[n]‑
q[n
‑
1]||2≤V
max
δ,n＝1,2,...N
[0038]q[0]＝[x0,y0][0039]q[N]＝[x
N
,y
N
][0040][0041]在优化无人机飞行位置q[n]时，需要给定去噪声因子η[n]、传感器k的发射功率p
k
[n]和UAV发射功率P[n]。
[0042]进一步，所述步骤S2的实现过程如下：
[0043]S21，设置λ为期望的精确度，设初始迭代次数r＝0、参考均方误差R0＝1；
[0044]S22，初始化传感器k的发射功率UAV发射功率P0[n]和UAV初始飞行轨迹q0[n]；
[0045]S23，增加迭代次数r＝r+1；
[0046]S24，基于前一次迭代的UAV轨迹q
r
‑1[n]，前一次迭代的传感器发射功率和前一次迭代的UAV发射功率P
r
‑1[n]求解problem2，得到去噪声因子η
r
[n]；
[0047]S25，基于前一次迭代的UAV轨迹q
r
‑1[n]，S24得到的去噪声因子η
r
[n]和前一次迭代的UAV发射功率P
r
‑1[n]求解problem3，得到传感器发射功率
[0048]S26，基于前一次迭代的UAV轨迹q
r
‑1[n]，S24得到的去噪声因子η
r
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全双工中继的UAV空中计算系统，其特征在于，包括一个基站、一个UAV和多个放置在地面的传感器；基站接收来自UAV的信息；多个传感器同时向UAV传输信息；UAV作为全双工中继，工作于聚合
‑
转发模式，接收多个传感器传输的聚合信息，同时向基站传输信息。UAV通过空中计算的方式采集汇聚传感器的数据，并通过全双工中继的方式转发至基站；所述UAV按照优化后的飞行轨迹飞行。2.一种基于全双工中继的UAV空中计算系统的轨迹和功率优化方法，其特征在于，包括步骤如下：S1，以UAV飞行的初始位置为原点建立坐标系，在传感器、UAV发射功率和信息传输速率的约束下，联合优化在传感器发射功率、UAV飞行轨迹和去噪声因子，以最小化空中计算系统的时间平均均方误差为目标，建立最优化问题；将最优化问题分解为去噪声因子η[n]优化子问题、传感器发射功率p
k
[n]优化子问题、UAV发射功率P[n]优化子问题、UAV飞行位置q[n]优化子问题；S2,采用迭代优化的算法逐步求解每个优化子问题；S3,根据步骤S2，得到最优的去噪声因子η[n]、传感器发射功率p
k
[n]、UAV发射功率P[n]和UAV飞行位置q[n]。3.根据权利要求2所述基于全双工中继的UAV空中计算系统的轨迹和功率优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，在坐标系下建立最优化问题，所述最优化问题的表达式为：problem1problem1problem1η[n]≥0||q[n]
‑
q[n
‑
1]||2≤V
max
δ,n＝1,2...Nq[0]＝[x0,y0]q[N]＝[x
N
,y
N
]其中，为UAV空中计算系统的时间平均均方误差，与p
k
[n]、P[n]、q[n]、η[n]相关，p
k
[n]为时隙n传感器k的发射功率，P[n]为时隙n UAV的发射功率，q[n]为时隙n无人机飞行位置，η[n]为时隙n的去噪声因子；w
k
为传感器的固定水平位置，w为基站的水平位置，β0为单位距离下的信道增益，σ2为加性高斯白噪声功率，β
u
为自干扰消除系数，L为UAV发送端到接收
端的距离，H为UAV飞行时不需要进行升降的最低飞行高度，G
min
为UAV
‑
BS之间的最小信息传输速率，α为路径损耗指数且α≥2；N为持续时间T的时隙数，T＝Nδ，其中δ表示为时间步长；V
max
为UAV最大飞行速度。4.根据权利要求3所述基于全双工中继的UAV空中计算系统的轨迹和功率优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述去噪声因子优化子问题的表达式为：problem2在优化去噪声因子η[n]时，需要给定传感器k的发射功率p
k
[n]、UAV发射功率P[n]和无人机飞行轨迹q[n]。5.根据权利要求3所述基于全双工中继的UAV空中计算系统的轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：李松，李佳琦，孙彦景，王博文，周玉，云霄，陈瑞瑞，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：