一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法技术

本发明专利技术公开了一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法,包括以下步骤：S1.构建包含空间节点和两个地面设备的信号传输模型；S2.根据空间节点的一个初始双直视点位置，确定3个弓形搜索区域，其中一个弓形搜索区域垂直于地面，另外两个弓形搜索区域平行于地面，3个弓形区域具有共同弦；S3.在各个搜索区域内，沿与所述共同弦平行的一组线段进行搜索，并记录搜索过程中对第个地面设备无遮挡的连续位置组成的线段的端点，将其转换到某一垂面上，并进行保存；S4.根据步骤S3中得到的线段端点，确定空间节点的最优位置。本发明专利技术能够在三维空间中搜索可移动空间节点的最优服务位置，以避免通信路径或感知路径被障碍物遮挡。挡。挡。

【技术实现步骤摘要】
一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法


[0001]本专利技术涉及通信领域，特别是涉及一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法。

技术介绍

[0002]随着无人机、热气球、卫星等空中节点的迅速发展和普及，可选的空中节点的位置摆脱了地面和高度的限制，且空中节点可利用其灵活的移动性来提高服务效果。在空中节点提供例如视频监控，通信中继，无线充电等服务时，空中节点和地面设备之间的直线链路可能被障碍物例如楼宇等遮挡，从而影响服务质量，例如毫米波通信信号大大衰落，无线充电效率急剧下降等，从而无法达到服务要求。因此空中节点需要在三维空间中搜索最优服务位置，从而与地面设备之间尽可能靠近，且建立直视链路，避免非直视链路造成的系统性能下降。所述直视链路指空中节点和地面设备之间的连线上无障碍物遮挡。所述非直视链路指空中节点和地面设备之间的连线上有障碍物遮挡。
[0003]通常，解决三维空间中的最优化问题，在问题没有有利特征的情况下，通用的方法需要三次方的复杂度。也就是说，如果目标区域半径为L，搜索步长为δ，则需要的搜索复杂度才能找到最优解。
[0004]现有的空中节点的位置优化技术主要从下面三个方面简化场景从而降低搜索成本来近似解决此问题。一部分技术不考虑障碍物的存在，假设所有的链路都是直视链路，这在实际应用中有极大限制，且不具有实际应用价值。一部分技术基于统计学模型，根据搜索区域的地理统计信息，例如楼宇高度和建筑物密度等，结合通信的空间几何参数，计算出某一位置被遮挡的概率，进而优化无人机的通信位置。但是这种技术只能从统计的角度来分析空中每个位置的通信质量，不能实际地量化某一位置的信号遮挡情况，从而无法保证其找到的最佳位置与地面设备可建立实际的直视链路，无法保证其找到的最优位置是三维空间中的最优位置。另外一部分技术基于已知的三维空间地图或无线电地图来优化无人机位置。一方面，该类技术依赖于及时的、准确的、精细的三维空间地图或无线电地图，而三维空间地图和无线电地图在紧急情况下很难快速获取，且维护和更新地图将消耗巨大算力和时间成本。另一方面，即使有了准确的三维环境信息，搜索最优无人机位置的计算量也极其巨大。首先，根据射线追踪方法的计算量非常巨大，通常无法在无人机这样的小型平台上运行。其次，射线追踪方法无法提供一些信道质量在空间中的结构化特征。因此这种无规律的、基于已有三维环境信息的搜索，计算复杂度极高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法，能够在三维空间中搜索可移动空间节点的最优服务位置，以避免通信路径或感知路径被障碍物遮挡。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种避免通信感知路径被遮挡的空
间节点位置确定方法，包括以下步骤：S1.构建包含空间节点和两个地面设备的信号传输模型：两个地面设备之间存在非直视链路影响地面设备之间的信号传输，利用一个空间节点作为中继设备协助两地面设备进行信号传输；所述两个地面设备之间存在非直视链路，是指两个地面设备之间的连线上存在障碍物遮挡。
[0007]S2.根据空间节点的一个初始双直视点位置，确定3个弓形搜索区域，其中一个弓形搜索区域垂直于地面，另外两个弓形搜索区域平行于地面，3个弓形区域具有共同弦；所述双直视点位置，是指空间节点处于该位置时，与两个地面设备之间的连线均没有障碍物遮挡；所述步骤S2包括：确定垂直于地面的弓形搜索区域 ：根据两个地面设备的水平位置 和 确定一个不经过两地面设备且垂直于地面的垂面 ：选择垂直于两地面设备连线且过该连线中点 的垂面作为 ；在垂面 上确定以为圆心，以 为半径的圆P0，其中 ， 为初始双直视点到较远地面设备的距离， 为两地面设备之间的直线距离；在垂面 上确定高度为 的水平面，其中 为所设定的空中节点的最低飞行高度；将所述水平面与圆相交的线段，记为弦 ；将弦 与上述水平面在圆上所截的劣弧二者所围成的区域，作为所述的垂直于地面的弓形区域。
[0008]确定平行于地面的两个弓形搜索区域 和 ：确定一个平行于地面且高度为的平面 ，其中 为所设定的空中节点的最低飞行高度；在该平面上确定以地面设备 正上方 高度的点为圆心，以 为半径的圆, ，其中 ， 为初始双直视点到较远用户的距离；所述的弦 与 在圆 上所截的劣弧二者围成的区域，即为所述的平行于地面的弓形区域 ,。
[0009]所述共同弦即为 ，其高度为 ，该弦为圆P0与所述平面 的交线，圆 与 的共同弦。
[0010]S3.在各个搜索区域内，沿与所述共同弦平行的一组线段进行搜索，并记录搜索过程中对第个地面设备无遮挡的连续位置组成的线段的端点，将其转换到不经过两地面设备且垂直于地面的垂面上，并进行保存：在弓形区域 中，将搜索过程中对第个地面设备无遮挡的连续位置线段的端点 保存到集合 中，这里 ， ， ；在弓形区域和 中，记录搜索过程中对第个地面设备无遮挡的连续位置组成的线段的端点
ꢀꢀ
其中,，将通过以下转换关系转换成垂面 上的线段端点：
然后将转换得到的 存储到集合中。
[0011]S4.根据步骤S3中得到的线段端点，确定空间节点的最优位置。
[0012]S401.取任意一段对第一地面设备无遮挡的连续位置组成的线段的端点 ，取任意一段对第二地面设备无遮挡的连续位置组成的线段的端点 ，给定任意一段对第一地面设备无遮挡的连续位置组成的线段,并给定任意一段对第二地面设备无遮挡的连续位置组成的线段，通过下述闭式解公式求解这两段位置点，推断的最优空间节点位置。
[0013]假定 , ；否则，对调 和 ;、是关于变量的函数：数：数：数：数：数：S402.将所有对地面设备 无遮挡的位置线段端点组成的集合表示为，则空中节点的最优位置 通过以下公式计算：
其中 为目标函数， ， 是关于设备间距离单调递减的表现评价函数， 表示空中节点的位置与第一地面设备之间的距离， 表示空中节点的位置与第二地面设备之间的距离。
[0014]本专利技术的有益效果是：本专利技术能够在三维空间中搜索可移动空间节点的最优服务位置，以避免通信路径或感知路径被障碍物遮挡。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的方法流程图；图2为实施例中帽状区域与垂面 、平面 相交的区域示意图；图3为实施例中线段以上的所有位置相对于第 个地面设备均为直视位置示意图：图4为搜索轨迹的俯视图：图5为 高度的平面上搜索到的相对于第一设备 是直视位置示意图：图6为实施例中的算法流程图：图7为实施例中吞吐量的累计分布概率图：图8为搜索路径长度的比较示意图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。
[0017]本专利技术需要三维空间中搜索可移动无线通信感知设备（空间节点）的最优服务位置，以避免通信路径或感知路径被障碍物遮挡，典型应用场景一是使用一台无人机同时监控两个地面目标。这既要求两个用户同时在无人本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.构建包含空间节点和两个地面设备的信号传输模型：两个地面设备之间存在非直视链路影响地面设备之间的信号传输，利用一个空间节点作为中继设备协助两地面设备进行信号传输；S2.根据空间节点的一个初始双直视点位置，确定3个弓形搜索区域，其中一个弓形搜索区域垂直于地面，另外两个弓形搜索区域平行于地面，3个弓形区域具有共同弦；S3.在各个搜索区域内，沿与所述共同弦平行的一组线段进行搜索，并记录搜索过程中对第个地面设备无遮挡的连续位置组成的线段的端点，将其转换到不经过两地面设备且垂直于地面的垂面上，并进行保存；S4.根据步骤S3中得到的线段端点，确定空间节点的最优位置。2.根据权利要求1所述的一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法，其特征在于：所述两个地面设备之间存在非直视链路，是指两个地面设备之间的连线上存在障碍物遮挡。3.根据权利要求1所述的一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法，其特征在于：所述空间节点处于初始的双直视点位置时，空间节点与两个地面设备之间的连线均没有障碍物遮挡。4.根据权利要求3所述的一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法，其特征在于：所述步骤S2包括：确定垂直于地面的弓形搜索区域；确定平行于地面的两个弓形搜索区域和。5.根据权利要求4所述的一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法，其特征在于：所述确定垂直于地面的弓形搜索区域的过程包括：根据两个地面设备的水平位置和确定一个不经过两地面设备且垂直于地面的垂面：选择垂直于两地面设备连线且过该连线中点的垂面作为；在垂面上确定以为圆心，以为半径的圆P0，其中，为初始双直视点到较远地面设备的距离，为两地面设备之间的直线距离；在垂面上确定高度为的水平面，其中为所设定的空中节点的最低飞行高度；将所述水平面与圆相交的线段，记为弦；将弦与上述水平面在圆上所截的劣弧二者所围成的区域，作为所述的垂直于地...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑元帅，陈俊挺，
申请(专利权)人：香港中文大学深圳，
类型：发明
国别省市：