一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法，该方法利用源节点、目的节点和无人机的位置信息，根据源节点须要发送给目的节点的数据量大小，对无人机的飞行速度和时间进行优化调整，在满足系统发送数据量要求的条件下，实现无人机飞行能耗的最小化。通过仿真实验表明，本发明专利技术优化方法在降低能耗上具有显著优势。具有显著优势。具有显著优势。

【技术实现步骤摘要】
一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，尤其涉及一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法。

技术介绍

[0002]近年来，无人机协作通信技术成为了无线通信领域研究的热点。相比于传统的地面通信，无人机协作通信易于实现按需分配，从而具有更高的成本效益；无人机具有高度的移动性，因而部署起来更加灵活快捷；无人机与地面终端的信道链路多为视距链路，能提供更好的信道环境。因此，无人机将在未来的无线通信领域中发挥极为重要的作用，其应用主要包括：(1)作为临时基站；(2)作为移动中继；(3)用于物联网。
[0003]目前，大量文献研究了无人机作为移动中继时的无人机中继协作通信系统的信息容量和频谱效率的优化问题。与此同时，无人机具有有限的机载能量，因此节能问题被认为是无人机通信的一个关键问题。当前大部分研究考虑的是解码转发中继通信形式，对于无人机采用放大转发中继形式的研究较少，特别是在全自由度全双工模式下的放大转发无人机中继通信还没有考虑，值得进行研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法，以对无人机中继系统的飞行速度和时间进行调整，在满足系统发送数据量要求的条件下，实现无人机飞行能耗的最小化，从而提高系统的能量效率。
[0005]本专利技术是这样实现的，一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法，在该方法中，无人机中继R从源节点S的正上方沿着直线以匀速向目的节点D飞行，无人机R在接收S发送信号的同时向目的节点转发消息，无人机接收信号和转发消息在通一频段上同时进行，并且中继转发采用AF协议，该方法包括以下步骤：
[0006](1)无人机在正式飞行前，计算出固定翼无人机的匀速飞行速度v以及完成Q数据量转发的时间限制T；
[0007](2)将设定为无人机从源节点S正上方飞到目的节点D的正上方的时间内须要完成数据转发的约束条件；其中，L为源节点S和目的节点D之间的距离；
[0008](3)判断所述匀速飞行速度v与无人机最小飞行速度V
min
、最大飞行速度V
max
的大小关系，根据比较结果对所述约束条件进行检查，根据检查结果判断在满足系统发送数据量要求的条件下，对无人机的飞行速度和时间进行优化调整。
[0009]优选地，在步骤(1)中，所述匀速飞行速度v用公式表述为：
[0010][0011]其中，c1＝ηC
D0
B/2、c2＝2W2/[(πe0A
R
)ηB]，η表示空气密度，C
D0
表示零升力阻力系
数，B表示机翼面积，W表示无人机整体的重量，e0是翼展效率，A
R
表示无人机翼的纵横比。
[0012]优选地，在步骤(1)中，所述时间限制T用公式表述为：
[0013][0014]其中，e为自然常数，P
S
是节点S发射天线的发射功率，P
R
是无人机中继R发射天线的发射功率，β表示在1m距离情况下的信道增益参考值，H为飞行高度，σ2为高斯白噪声的方差。
[0015]优选地，在步骤(2)中，所述根据比较结果对所述约束条件进行检查，根据检查结果判断在满足系统发送数据量要求的条件下，对无人机的飞行速度和时间进行优化调整具体为：
[0016]将比较结果分以下情况进行处理：
[0017]情况1：若V
min
≤v≤V
max
，则检查是否成立；若成立，则令T
*
＝T，v
*
＝v，否则，令并检查v≥V
min
是否成立；若v≥V
min
成立，则令T
*
＝T，v
*
＝v，否则令T
*
＝NaN，v
*
＝NaN；
[0018]情况2：若v＜V
min
，则令v＝V
min
，下面检查是否成立；若成立，则令T
*
＝T，v
*
＝v，否则，令T
*
＝NaN，v
*
＝NaN；
[0019]情况3：若v＞V
max
，则令v＝V
max
，下面检查是否成立；若成立，则令T
*
＝T，v
*
＝v，否则令并检查v≥V
min
是否成立；若v≥V
min
成立，T
*
＝T，v
*
＝v，否则令T
*
＝NaN，v
*
＝NaN，其中，NaN表示无数值存在，即无解；
[0020]其中，v
*
为无人机最优匀速飞行速度，T
*
为最优飞行总时间，NaN表示无解，若T
*
＝NaN，v
*
＝NaN，则说明无法满足源节点数据量发送需求，此时，无人机选择退出转发服务；否则，无人机将以匀速飞行速度v
*
，从S的正上方高度为H且沿直线向D飞行，飞行总时间为T
*
，在飞行期间，无人机R采用AF协议接收S发送信号的同时向目的节点转发消息。
[0021]本专利技术克服现有技术的不足，提供一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法，该方法利用源节点、目的节点和无人机的位置信息，根据源节点须要发送给目的节点的数据量大小，对无人机的飞行速度和时间进行优化调整，在满足系统发送数据量要求的条件下，实现无人机飞行能耗的最小化。
[0022]对于采用固定翼无人机的中继通信系统，地面上有一个源节点S和一个目的节点D，空中有一个固定翼无人机中继节点R，无人机工作在全自由度全双工模式(接收和发射信号在同一频段同时进行)，采用的是放大转发(Amplify
‑
and
‑
Forward,AF)中继协议，假设S和D之间的距离为L，由于S和D距离较远，其直达链路不存在，需要借助于无人机中继R进行通信；无人机中继R在S的正上方(飞行高度是H)以匀速v沿直线飞向目的节点D；假设节点S
到R和R到D都为视距(Light of Sight,LoS)链路，则S到R的信道可写为：R到D的信道可写为：其中，α是无线信道衰落因子，为源节点S到中继R的距离，为中继R到目的节点D的距离，t表示时间，β表示在1m距离情况下的信道增益参考值；
[0023]需要说明的是：无线信道衰落因子α通常取值是2～4，由于无人机与地面节点之间的信道由LoS链路构成，因此，α取2，此时，节点S到中继R的信道为：
[0024][0025]中继R到节点D的信道为：
[0026][0027]由于无人机中继R工作在全自由度全双工方式，此时，无人机发射天线发射无线信号将会被无人机接收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法，在该方法中，无人机中继R从源节点S的正上方沿着直线以匀速向目的节点D飞行，无人机R在接收S发送信号的同时向目的节点转发消息，无人机接收信号和转发消息在通一频段上同时进行，并且中继转发采用AF协议，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)无人机在正式飞行前，计算出固定翼无人机的匀速飞行速度v以及完成Q数据量转发的时间限制T；(2)将设定为无人机从源节点S正上方飞到目的节点D的正上方的时间内须要完成数据转发的约束条件；其中，L为源节点S和目的节点D之间的距离；(3)判断所述匀速飞行速度v与无人机最小飞行速度V
min
、最大飞行速度V
max
的大小关系，根据比较结果对所述约束条件进行检查，根据检查结果判断在满足系统发送数据量要求的条件下，对无人机的飞行速度和时间进行优化调整。2.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述匀速飞行速度v用公式表述为：其中，c1＝ηC
D0
B/2、c2＝2W2/[(πe0A
R
)ηB]，η表示空气密度，C
D0
表示零升力阻力系数，B表示机翼面积，W表示无人机整体的重量，e0是翼展效率，A
R
表示无人机翼的纵横比。3.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述时间限制T用公式表述为：其中，e为自然常数，P
S
是节点S发射天线的发射功率，P
R
是无人机中继R发射天线的发射功率，β表示在1m距离情况下的信道增益参考值，H为飞行高度，σ2为高斯白噪声的方差。4.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为，将比较结果分以下情况进行处理：情况1：若V
min
≤v≤V
max
，则检查是否成立；若成立，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉晓东，施森译，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：