一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法，包括以下步骤：S1.给定传输任务；S2.无人机之间交换未来的信道质量信息；S3.根据无人机间的信道信息以及传输时延和数据大小初始化传输功率；S4.根据未来信道质量信息，定义传输时机并定义优化问题，确定最优传输功率和最优传输时机；S5.根据求解的最优传输阈值、时间阈值以及传输功率设计点对点传输策略为每当时，无人机1以功率和的速率向无人机2传输。本发明专利技术基于对未来信道质量的预测，针对时延不敏感任务优化无人机通信的传输时机与传输功率，实现了对整体通信能耗的优化。化。化。

【技术实现步骤摘要】
一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法


[0001]本专利技术涉及通信数据传输，特别是涉及一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法。

技术介绍

[0002]无人机在监视侦察、通信中继、货物运输、应急搜索等领域应用广泛。部署于各种任务的无人机正在广泛并密集地分布在城市上空。无人机通常自带无线通信能力。现行的无人机应用通常针对不同的应用场景单独部署特种无人机或无人机集群，比如使用无人机辅助物流、无人机辅助监测等。在这些应用中，并没有考虑如何复用已部署的无人机建立辅助通信网络，作为无人机的次要任务。实际上，已部署的无人机网络，享有空中视距链路的良好传输机会，在不影响无人机集群的首要任务（如物流、监测等）的前提下，具有构建大容量无线通信网络的潜力，辅助地面通信，提升地面网络的通信性能。然而，如何在不影响无人机集群的特定任务的前提下，最大限度地开发无人机集群的网络通信性能，仍缺乏有效的技术方案。
[0003]搭建无人机无线通信网络的关键技术问题是如何降低无人机的通信能量消耗，最大限度地降低对无人机主要任务的影响。现有方案一是未有考虑复用执行非通信任务的无人机集群构造通信网络，二是未能针对低时延敏感的数据传输场景利用无人机的轨迹信息来降低通信能耗，三是未能考虑对通信模块整体功耗的优化。
[0004]具体而言，在物联网场景中，传感器会收集大量数据，其中有不少数据属于低时延敏感数据，比如通信时延容忍度可达1分钟以上。现行的通信网络通常采用“尽力传输（best
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effort）”的方式进行设计，时延指标通常在秒级以下，因此采用现行通信网络的设计架构来传输海量的、超低时延敏感的数据并不是最有效的方案。举例而言，现有无人机通信网络的设计方案通常是以传输容量为优化目标，如：通过优化无人机与用户之间的距离来保障无人机网络的有效覆盖，但是没有针对数据传输的超低时延敏感性特征对无人机通信网络进行优化。并且，现行的无人机通信网络设计大多集中在无人机或无人机集群的部署或是轨迹设计，却没有考虑复用已部署的无人机建立通信网络，从而没有利用到无人机的轨迹信息对无人机网络进行优化。除此之外，现有的大多数研究在进行无人机通信能耗分析时，通常只考虑了无线传输功耗的优化，而没有考虑通信模块整体功耗的优化。然而，在现实世界中，除了无线传输的功耗，额外的启动模块功率所带来的功耗也是不可忽视的。

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，提供一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法，基于对未来信道质量的预测，针对时延不敏感任务优化无人机通信的传输时机与传输功率，实现了对整体通信能耗的优化。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法，包括以下步骤：
S1.给定传输任务：无人机1需要在秒内以最小能量将大小为比特的数据传输给无人机2；S2.无人机之间交换未来的信道质量信息；无人机2获取自身在未来时刻以前的运行轨迹；然后，无人机2将自身的运行轨迹传递给无人机1，基于无人机2的轨迹信息 以及自身的轨迹信息，无人机1推断与无人机2在未来的信道状态；S3.根据无人机间的信道信息以及传输时延和数据大小初始化传输功率:给定传输时延为，数据大小为，功率 初始化为等式的解，其中，参数用以表示由小规模衰落、数字调制和编码产生的损耗，为信号带宽；S4.根据未来信道质量信息，定义传输时机并定义优化问题，确定最优传输功率和最优传输时机：S4
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a.定义传输时机为 ，其中为信道质量阈值， 为时间阈值， 为指示函数，即：当信道质量高于某一阈值时或在信道质量等于阈值且传输时间大于某一时间时，无人机之间才能进行通信；给定任意功率，利用两阶段二分法确定对应的最佳阈值 和 ，使得等式 成立；S4
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b.基于传输能量计算公式 计算最优的传输功率 ，使得传输能量最小；最优传输功率对应的最佳阈值和 为全局最优传输阈值 、时间阈值；因此最佳传输时机为；S5.根据求解的最优传输阈值、时间阈值 以及传输功率 设计点对点传输策略为每当时，无人机1以 功率和的速率向无人机2传输。
[0007]其中，所述步骤S2中，无人机1推断未来的信道状态时，确定无人机的位置信息为 ，推测目标为位置处无人机的信道质量随时间的函数。
[0008]所述信道质量随时间的函数 的推断方式包括以下任意一种：一、基于通信模型的推断：根据无人机的位置信息得到其间的距离随时间的函数为，利用通信模型推断出其间的信道信息为其中， 是由放大器和天线增益引起的功率增益因数， 为路径损耗指数， 为噪声谱密度，为信号带宽；二、基于无线电地图的推断：给定任意两个位置，无线电地图知道其间的信道信息，因此其间的信道信息表示为其中为无线电地图函数；
三、基于数据的推断：对于任意两个位置，存在其间的历史信道数据集,记为：, ；其中， 表示中的第个数据， 为历史信道数据集中包含的数据个数； 为第 个数据 的信道信息表示第个数据中包含的两个位置信息；对于无人机1和无人机2，筛选出满足位置关系的历史数据集合过程如下：（1）对于历史信道数据集中的任一数据，判断是否满足，则将加入到集合中；（2）对每一个，重复执行（1）；当遍历完成后，利用回归算法推测出无人机之间的信道信息为： 。
[0009]所述步骤S4
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a中，根据未来信道质量信息，定义传输时机并定义优化问题的具体过程包括：根据阈值传输策略来选择传输时间，要求当信道质量高于某一阈值时并且在信道质量等于阈值且传输时间大于某一时间时，无人机之间才能进行通信，表示如下：其中为信道质量阈值为时间阈值， 为指示函数， 当且仅当为真，否则；利用传输时间选择函数和传输功率产生的吞吐量表示为：能量消耗为其中为启动传输电路的能量消耗；根据阈值传输策略，通过求解以下问题得到信道质量阈值和时间阈值，即接入时间其中为给定传输功率为时的最小能耗。
[0010]所述步骤S4
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a中，求解信道质量阈值的过程包括：A1、设置， ， ；
A2、设置，如果，设置；否则， ；A3、重复A2直到收敛到 ，并设置 。
[0011]所述步骤S4
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a中，求解时间阈值；在信道质量为的时间为0时，设置 ；否则通过二分法求解时间阈值，包括：B1、设置， ， ；B2、设置；如果，设置；否则， ；B3、重复B2直到 收敛到，并设置 。
[0012]所述步骤S4
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b中，通过求解以下问题求解最优传输功率b中，通过求解以下问题求解最优传输功率求解时采用梯度下降法：通过求解 在 处的梯度，并根据梯度下降的方向更新功率 ，直到梯度为0或者达到更新次数上限：（1）计算和，其中
ϵ
为梯度近似计算常数；（2）计算目标函数在点处的近似梯度（3）利用梯度更新（3）利用梯度更新其中为搜索步长。更新直到；设置；（4）重复（1）~（3）直到。
[0013]设置最优传输功率 对应的最佳阈值和为全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.给定传输任务：无人机1需要在秒内以最小能量将大小为比特的数据传输给无人机2；S2.无人机之间交换未来的信道质量信息；无人机2获取自身在未来时刻以前的运行轨迹；然后，无人机2将自身的运行轨迹传递给无人机1，基于无人机2的轨迹信息以及自身的轨迹信息，无人机1推断与无人机2在未来的信道状态；S3.根据无人机间的信道信息以及传输时延和数据大小初始化传输功率:给定传输时延为，数据大小为，功率初始化为等式的解，其中，参数用以表示由小规模衰落、数字调制和编码产生的损耗，为信号带宽；S4.根据未来信道质量信息，定义传输时机并定义优化问题，确定最优传输功率和最优传输时机：S4
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a.定义传输时机为，其中为信道质量阈值，为时间阈值，为指示函数，即：当信道质量高于某一阈值时或在信道质量等于阈值且传输时间大于某一时间时，无人机之间才能进行通信；给定任意功率，利用两阶段二分法确定对应的最佳阈值和，使得等式成立；S4
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b.基于传输能量计算公式计算最优的传输功率，使得传输能量最小；最优传输功率对应的最佳阈值和为全局最优传输阈值、时间阈值；因此最佳传输时机为；S5.根据求解的最优传输阈值、时间阈值以及传输功率设计点对点传输策略为每当时，无人机1以功率和的速率向无人机2传输。2.根据权利要求1所述的一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，无人机1推断未来的信道状态时，确定无人机的位置信息为，推测目标为位置处无人机的信道质量随时间的函数。3.根据权利要求2所述的一种针对无人机动态拓扑的传输时机与功率控制方法，其特征在于：所述信道质量随时间的函数的推断方式包括以下任意一种：
一、基于通信模型的推断：根据无人机的位置信息得到其间的距离随时间的函数为，利用通信模型推断出其间的信道信息为其中，是由放大器和天线增益引起的功率增益因数，为路径损耗指数，为噪声谱密度，为信号带宽；二、基于无线电地图的推断：给定任意两个位置，无线电地图知道其间的信道信息，因此其间的信道信息表示为其中为无线电地图函数；三、基于数据的推断：对于任意两个位置，存在其间的历史信道数据集,记为：,；其中，表示中的第个数据，，为历史信道数据集中包含的数据个数；为第个数据的信道信息；表示第个数据中包含的两个位置信息；对于无人机1和无人机2，筛选出满足位置关系的历史数据集合过程如下：（1）对于历史信道数据集中的任一数据，判断是否满足，则将加入到集合中；（2）对每一个，重复执行（1）；当遍历完成后，利用回归算法推测出无...

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