一种全双工固定翼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具有滚转角限制的全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，利用源节点和目的节点的位置信息，根据源节点需要发送给目的节点的数据量大小和无人机飞行的最大最小速度以及滚转角限制，对无人机的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行优化调整，在符合无人机飞行速度和滚转角限制下，以及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。的最小化。的最小化。

【技术实现步骤摘要】
一种全双工固定翼无人机中继系统的优化方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，尤其涉及一种圆形轨迹下具有滚转角限制的全双工固定翼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，从而具有更高的通信效率；无人机具有高度的移动性，因而部署起来更加灵活快捷；无人机与地面终端之间的通信链路为视距信道的可能性要高于同等通信距离下的地面通信情况，因而能提供更好的信道传输条件。因此，无人机必将在未来的无线通信领域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中继通信系统容量和频谱效率的优化问题。实际上，无人机具有有限的机载能量，能效被认为是无人机通信的关键问题之一。当前，针对无人机中继通信，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的研究较少，特别是在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。另一方面，固定翼无人机在圆形轨迹下，其飞行半径、飞行速度与它的滚转角有关，这一问题过去常常被忽略，需要进一步研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种圆形轨迹下具有滚转角限制的全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，以对无人机中继系统的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行调整，在符合无人机飞行速度限制和滚转角限制下，以及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，一种具有滚转角限制的全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，利用源节点和目的节点的位置信息，根据源节点需要发送给目的节点的数据量大小和无人机飞行的最大最小速度以及滚转角限制，对无人机的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行优化调整，在符合无人机飞行速度和滚转角限制下，以及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。
[0006]对于圆形轨迹下具有滚转角限制的全双工固定翼无人机中继通信系统，地面上的源节点S需要将Q数据量发送给目的节点D，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，需要借助飞行在高度为H的固定翼无人机中继R进行数据的转发，无人机中继R工作在全双工模式(接收和发射信号在同一频段同时进行)，采用放大转发(Amplify
‑
and
‑
Forward,AF)中继协议；无人机中继R的飞行轨迹平面与地平面平行，其飞行轨迹在地平面上的投影为圆形，该圆形以源节点S和目的节点D连线的中点为圆心，以r为半径，圆周飞行的速度为v；无人机飞行过程中具有滚转角限制(的取值小于等于45
°
)，即，无人机飞行的实际滚转角φ需要满足假设S到R和R到D的无线信号传输信道为混合概率信
道，即，视距(Light ofSight,LoS)和非视距(Non Light of Sight,NLoS)链路以概率条件存在的混合信道；这样，在t时刻，S到R的信道可写为：
[0007][0008]其中d
SR
(t)是t时刻S到R的距离，具体可由下面的式(2)给出，θ是无线信道衰落因子，表示在1m距离情况下的信道增益参考值，λ是NLoS链路情况下的额外衰落因子，P
rSR
‑
LOS
(t)是t时刻S到R之间是LOS链路的概率，具体可由式(3)给出，1
‑
P
rSR
‑
LOS
(t)是t时刻S到R之间是NLOS链路的概率；
[0009][0010][0011]需要说明的是：这里假设源节点S的位置为(0,0,0)、目的节点D的位置为(L,0,0)、无人机飞行的起始点为式(3)中的arcsin(
·
)是反正弦函数，α和β为混合概率信道模型参数，α和β的取值取决于具体的通信地理环境；
[0012]同样，在t时刻，R到D的信道可写为：
[0013][0014]其中，d
RD
(t)是t时刻R到D的距离，具体可由下面的式(5)给出，P
rRD
‑
LOS
(t)是t时刻R到D之间是LOS链路的概率，具体可由下面的式(6)给出，1
‑
P
rRD
‑
LOS
(t)是t时刻R到D之间是NLOS链路的概率；
[0015][0016][0017]由于上面的h
SR
(t)和h
RD
(t)均为LoS和NLoS的混合概率信道，很难进行数学处理，为此，利用出现LoS和NLoS链路的概率分别求取h
SR
(t)和h
RD
(t)的平均值和具体可分别由式(7)和式(8)给出；
[0018][0019][0020]需要说明的是：式(7)中的式(8)中的下面将用式(7)和式(8)中的和分别代替h
SR
(t)和h
RD
(t)进行数学分析；
[0021]由于无人机中继R工作在全双工方式，此时，无人机发射天线发射的无线信号将会被无人机接收天线接收到，为此无人机需要采用环路干扰消除(Loop Interference Cancellation，LIC)技术来消除全双工方式下产生的环路干扰，则t时刻，无人机中继R接收的信号表达式：
[0022][0023]其中P
TX
是S和R的发射功率；x
S
是S的发射信号(假设功率为1)；x
R
是R的发射信号(假设功率为1)；h
LI
是经过LIC后的残留环路干扰；z
R
是R接收到的高斯白噪声(假设均值为0，方差为σ2，即，高斯白噪声的平均功率为σ2)，无人机将接收信号y
R
(t)乘上放大因子ρ变成发射信号，即，x
R
＝ρy
R
(t)，这里假设无人机中继R对接收信号y
R
(t)的处理足够理想，没有任何的延时，则D节点接收的信号为：
[0024][0025]其中z
D
是D接收到的高斯白噪声(假设均值为0，方差为σ2)；
[0026]将x
R
＝ρy
R
(t)代入式(10)，并经过数学运算可得
[0027][0028]由式(11)可得D节点的接收信噪比，具体可写为：
[0029][0030]其中
[0031]这样，目的节点的在t时刻能够接收到的数据量为：
[0032][0033]根据上面的分析，可将无人机能耗最小优化问题写为
[0034][0035]s.t.Q
‑
Q
D
(T)≤0
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有滚转角限制的全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：在式(24b)给出的飞行半径范围内，利用一维搜素算法求解问题(24a)，得到无人机飞行半径r2；；其中，Q为源节点S发送给目的节点D的数据量，r为无人机以匀速v作圆周飞行运动的半径，为无人机飞行过程中的滚转角限制，小于等于45
°
，V
min
为无人机最小飞行速度，e表示自然常数，σ2表示高斯白噪声的方差，是固定翼无人机以匀速v、半径r作圆形轨迹飞行的功耗，其中g表示重力加速度，c1＝ηC
D0
B/2，c2＝2W2/[(πe0A
R
)ηB]，其中，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，e0是翼展效率，W表示无人机整体的重量，A
R
表示无人机翼的纵横比，表示无人机翼的纵横比，其中P
TX
是S和R的发射功率，和分别是S到R和R到D在t时刻的平均信道增益；步骤2：将r2作为r代入式(23)求得tanφ；其中，φ为无人机飞行的实际滚转角，要求成立；步骤3：若成立，则计算此时对应的飞行速度否则跳转到步骤6；步骤4：若成立，则最优飞行半径r
*

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