一种无人机辅助地面基站的位置部署方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机辅助地面基站的位置部署方法及系统，构建小区通信模型；基于小区通信模型，构建基站与无人机之间以及无人机与用户之间的信息传输机制；基于小区通信模型和信息传输机制，确定无人机与各用户之间的传输速率及总传输速率，建立通信约束机制；构建系统传输速率最大化的优化目标与约束条件；基于优化目标与约束条件，采用遗传算法求解位置优化问题，以系统总传输速率最大为目标，求解无人机位置，完成位置优化。本发明专利技术提高了用户总传输速率，提升了用户通信的满意度。提升了用户通信的满意度。提升了用户通信的满意度。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机辅助地面基站的位置部署方法及系统


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种无人机辅助地面基站的位置部署方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着目前全球通信技术的发展，以及全球通信网络的全覆盖，一些特殊情况(例如地震、人员搜救、环境检测等)下的网络通信问题逐渐引发讨论。在解决这一问题时，众多学者引入了一种空中辅助基站的设想。
[0003]无人机(Unmanned Aerial Vehicle，无人机)作为一种可动态灵活调度的小型设备，其可在特殊情况下代替基站作为无线中继短暂建立通信链路，也可根据不同的用户位置随时调整无人机位置来完成通信，其优势是无可比拟的。空基无线网络将无人机做为中继节点组成一种通信网络，可增强和拓展通信系统的功能。
[0004]但是，如何部署无人机位置对无人机中继是至关重要的。现有的技术很少有聚焦于用户速率总和下的位置部署。采用速率总和优化模型可使无人机的利用率尽可能达到最大。无人机作为无线中继时，向小区边缘提供通信服务。信息传输过程为：第一个时隙内，基站将信息发送给无人机；第二个时隙，无人机将信息编译、放大，转发给相应用户。
[0005]无人机位置部署存在的挑战：挑战一：在保证所有用户实现有效通信要求的前提下最大化用户速率和，挑战二：信息传输过程中，无人机的位置会影响两个时隙的路径损耗，因此要设计合理的位置部署方案，减小路径损耗。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种无人机辅助地面基站的位置部署方法及系统，使得在小区内所有用户均可通信的前提下，提高用户的信息传输速率总和。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种无人机辅助地面基站的位置部署方法，构建通信模型；基于通信模型构建基站与无人机之间，以及无人机与用户之间的信息传输机制；基于通信模型，基站与无人机之间，以及无人机与用户之间的信息传输机制确立信道模型，以及无人机与各用户之间的传输速率；基于通信模型和基站与无人机之间，以及无人机与用户之间的信息传输机制，建立通信约束机制；基于信道模型、以及无人机与各用户之间的传输速率、通信约束机制构建全部用户速率总和最大化的约束目标与约束条件，建立小区内无人机位置优化模型；基于全部用户速率总和最大化的约束目标与约束条件，利用遗传算法求解小区内无人机位置优化模型，以所有用户速率总和最大为目标，求解无人机的位置，完成位置优化。
[0009]具体的，通信模型包括一个基站、一个无人机和M个用户，基站的高度为H，无人机的位置为u＝{x
u
，y
u
，h
u
}，第n个用户的位置为w
n
＝{x
n
，y
n
，h
n
}，W＝{w
n
}。
[0010]具体的，基站与无人机之间，以及无人机与用户之间的信息传输机制为：
[0011]网络的信道数为K，K>M，每个用户分配一个独立的信道，信道带宽为B，在信息传输服务时，在第一个时隙，基站先将信息发送给无人机；在第二个时隙，无人机译码信息、放大信息，转发给相应用户。
[0012]具体的，信道模型为：
[0013]PL(dB)＝32.4+30lg(d[m])+20lg(f
c
[GHz])
[0014]其中，PL表示路径损耗，d表示收发节点之间的欧氏距离，f
c
表示载频。
[0015]具体的，无人机与各用户之间的传输速率R
tol
为：
[0016][0017]其中，B表示信道带宽，σ2表示噪声功率，P
B
表示基站在每个信道上的发射功率，P
U
表示无人机在每个信道上的发射功率，G
B,U
表示基站到无人机的信道功率增益，G
U,n
表示无人机到用户n信道功率增益。
[0018]具体的，通信约束机制具体为：
[0019]保证每个用户关联到无人机的用户分配方案：
[0020][0021]对用户的位置约束：
[0022][0023][0024]对无人机的位置约束：
[0025]x
Umin
≤x
U
≤x
Umax
[0026]y
Umin
≤y
U
≤y
Umax
[0027]h
Umin
≤h
U
≤h
Umax
[0028]其中，S
nU
代表信道分配变量，x
nmin
，x
nmax
分别表示可行域在x轴方向的最小最大范围，y
nmin
，y
nmax
分别表示用户可行域在y轴方向的最小最大范围,x
Umin
，x
Umax
分别表示无人机可行域在x轴方向的最小最大范围，y
Umin
，y
Umax
分别表示无人机可行域在y轴方向的最小最大范围。
[0029]具体的，全部用户和速率最大化的约束目标与约束条件具体为：
[0030][0031][0032][0033][0034]C4:x
Umin
≤x
U
≤x
Umax
[0035]C5:y
Umin
≤y
U
≤y
Umax
[0036]C6：h
Umin
≤h
U
≤h
Umax
[0037]其中，C1为限制每个用户只能分配一个信道，C2和C3为小区内用户在水平方向上的范围，C4和C5为无人机的水平方向飞行范围，C6为无人机的垂直方向飞行范围，x
nU
为信道分配变量，x
nmin
，x
nmax
分别表示可行域在x轴方向的最小最大范围，y
nmin
，y
nmax
分别表示用户可行域在y轴方向的最小最大范围，x
Umin
，x
Umax
分别表示无人机可行域在x轴方向的最小最大范围，y
Umin
，y
Umax
分别表示无人机可行域在y轴方向的最小最大范围。
[0038]具体的，求解无人机的位置，完成位置优化具体为：
[0039]S601、初始化L＝15，N＝200，Gen
max
＝500，P
c
＝0.8，P
m
＝0.05，P
m
＝0.05，Dim＝3，fitness
max
＝0，采用二进制编码方法，使用0和1两种符号对基因进行编码并形成一条染色体，L为二进制编本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机辅助地面基站的位置部署方法，其特征在于，构建通信模型；基于通信模型构建基站与无人机之间，以及无人机与用户之间的信息传输机制；基于通信模型，基站与无人机之间，以及无人机与用户之间的信息传输机制确立信道模型，以及无人机与各用户之间的传输速率；基于通信模型和基站与无人机之间，以及无人机与用户之间的信息传输机制，建立通信约束机制；基于信道模型、以及无人机与各用户之间的传输速率、通信约束机制构建全部用户速率总和最大化的约束目标与约束条件，建立小区内无人机位置优化模型；基于全部用户速率总和最大化的约束目标与约束条件，利用遗传算法求解小区内无人机位置优化模型，以所有用户速率总和最大为目标，求解无人机的位置，完成位置优化。2.根据权利要求1所述的无人机辅助地面基站的位置部署方法，其特征在于，通信模型包括一个基站、一个无人机和M个用户，基站的高度为H，无人机的位置为u＝{x
u
，y
u
，h
u
}，第n个用户的位置为w
n
＝{x
n
，y
n
，h
n
}，W＝{w
n
}。3.根据权利要求1所述的无人机辅助地面基站的位置部署方法，其特征在于，基站与无人机之间，以及无人机与用户之间的信息传输机制为：网络的信道数为K，K＞M，每个用户分配一个独立的信道，信道带宽为B，在信息传输服务时，在第一个时隙，基站先将信息发送给无人机；在第二个时隙，无人机译码信息、放大信息，转发给相应用户。4.根据权利要求1所述的无人机辅助地面基站的位置部署方法，其特征在于，信道模型为：PL(dB)＝32.4+30lg(d[m])+20lg(f
c
[GHz])其中，PL表示路径损耗，d表示收发节点之间的欧氏距离，f
c
表示载频。5.根据权利要求1所述的无人机辅助地面基站的位置部署方法，其特征在于，无人机与各用户之间的传输速率R
tol
为：其中，B表示信道带宽，σ2表示噪声功率，P
B
表示基站在每个信道上的发射功率，P
U
表示无人机在每个信道上的发射功率，G
B，U
表示基站到无人机的信道功率增益，G
U，n
表示无人机到用户n信道功率增益。6.根据权利要求1所述的无人机辅助地面基站的位置部署方法，其特征在于，通信约束机制具体为：保证每个用户关联到无人机的用户分配方案：对用户的位置约束：对用户的位置约束：对无人机的位置约束：x
Umin
≤x
U
≤x
Umax
y
Umin
≤y
U
≤y
Umax
h
Umin
≤h
U
≤h
Umax
其中，S
nU
代表信道分配变量，x
nmin
，x
nmax
分别表示可行域在x轴方向的最小最大范围，y
nmin
，y
nmax
分别表示用户可行域在y轴方向的最小最大范围，x
Umin
，x
Umax
分别表示无人机可行域在x轴方向的最小最大范围，y
Umin
，y
Umax
分别表示无人机可行域在y轴方向的最小最大范围。7.根据权利要求1所述的无人机辅助地面基站的位置部署方法，其特征在于，全部用户和速率最大化的约束目标与约束条件具体为：和速率最大化的约束目标与约束条件具体为：和速率最大化的约束目标与约束条件具体为：和速率最大化的约束目标与约束条件具体为：C4：x
Umin
≤x
U
≤x
Umax
C5：y
Umin
≤y
U
≤y
Umax
C6：h
Umin
≤h
U
≤h
Umax
其中，C1为限制每个用户只能分配一个信道，C2和C3为小区内用户在水平方向上的范围，C4和C5为无人机的水平方向飞行范围，C6为无人机的垂直方向飞行范围，x
nU
为信道分配变量，x
nmin
，x
nmax
分别表示可行域在x轴方向的最小最大范围，y
nmin
，y
nmax
分别表示用户可行域在y轴方向的最小最...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳龙，杨炎坤，周峰屹，郭耀磊，卢致澄，张伟，翟道森，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：