一种中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法技术

本发明专利技术公开了一种中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法，包括建立无人机放大转发中继通信网络，以无人机飞行过程中的能效最大化为目标，利用源节点和无人机的发射功率约束以及无人机的轨迹约束、速度和加速度约束，建立无人机放大转发中继通信能效优化问题P1；将P1分解为源节点和无人机发射功率优化子问题P2以及无人机轨迹优化子问题P3；结合P2和P3的优化算法得到优化源节点和无人机发射功率以及无人机轨迹的整体迭代算法。本发明专利技术能够获得最优的源节点和无人机发射功率以及最优的无人机轨迹，实现无人机放大转发中继通信能效最大化。效最大化。效最大化。

【技术实现步骤摘要】
一种中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法


[0001]本专利技术涉及无人机通信
，具体涉及一种使放大转发中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法。

技术介绍

[0002]近年来，无人机通信技术得到了快速发展。与传统的地面通信相比，无人机通信的优势可以概括为三个方面：第一，无人机可按需灵活部署，在一些紧急情况下，如地面通信基础设施因自然灾害部分或完全瘫痪，可部署无人机作为空中平台，有效发挥临时通信设施的作用，部署速度比恢复瘫痪的通信基础设施快，部署成本比使用高空平台或卫星通信更低；其次，由于飞行高度，无人机更有可能与地面基站或地面用户建立视距(Line of Sight，LoS)通信链路，进而可以提高链路容量；第三，无人机可以在三维自由空间中快速移动，通过轨迹设计和资源分配可以进一步提高通信系统性能。由于上述优点，无人机通信已被应用于各种场景，如移动中继通信等。
[0003]随着无人机在中继通信中的作用越来越重要，无人机的机载能量有限已经成为制约无人机飞行区域和飞行时间的重要因素。因此，如何对无人机的轨迹和系统的资源进行分配，从而以更低的能耗获得更高的吞吐量即提高通信系统的能量效率，是无人机无线中继通信中值得研究的重要问题。现有的研究无人机放大转发中继通信能效最优的方法中，仅对无人机的飞行速度或无人机的飞行轨迹进行优化，并没有考虑发射端和无人机的发射功率对能效带来的增益。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述问题，提供了一种使放大转发中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法，以无人机飞行过程中的能效最大化为目标，建立无人机放大转发中继通信能效优化问题，通过问题分解分别求解源节点和无人机发射功率优化子问题和无人机轨迹优化子问题，进而得到功率和轨迹的整体联合优化算法，实现无人机放大转发中继通信能效最大化。
[0005]本专利技术提供的中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法，其特征在于，包括建立无人机放大转发中继通信网络，所述无人机放大转发中继通信网络包括一个源节点用户S，一个目的节点用户D和一个采用放大转发协议的无人机R，源节点用户S和目的节点用户D之间的所有数据都需要无人机R进行转发；
[0006]以无人机在通信时间T秒内的能效最大化为目标，利用无人机的轨迹约束、速度和加速度约束以及源节点用户和无人机的发射功率约束，建立无人机放大转发中继通信能效优化问题P1；
[0007]根据无人机放大转发中继通信能效优化问题P1的源节点用户和无人机的发射功率约束以及无人机的轨迹约束，将P1分解为源节点用户和无人机发射功率优化子问题P2以及无人机轨迹优化子问题P3；源节点用户和无人机发射功率优化子问题P2通过连续凸逼近
和凸优化求解器得到最优源节点用户和无人机发射功率，无人机轨迹优化子问题P3通过连续凸逼近和Dinkelbach方法得到最优无人机轨迹；
[0008]结合子问题P2的连续凸逼近和凸优化求解器和子问题P3的连续凸逼近和Dinkelbach方法进行优化源节点用户和无人机发射功率、无人机轨迹的交替迭代算法，直到满足交替迭代结束条件，最终得到源节点用户和无人机发射功率最优解以及无人机轨迹最优解。
[0009]进一步的，无人机在通信时间T秒内的总的信道容量R
tot
表示为：
[0010][0011]其中，B表示通信系统带宽，N表示通信时间T划分的时隙个数，δ为每个时隙的长度，R
RD
(n)表示第n个时隙无人机到目的节点用户D的瞬时信道容量，γ
D
(n)表示目的节点用户D处的信噪比，P
S
(n)表示第n个时隙源节点用户S的发射功率，P
R
(n)表示第n个时隙无人机R的发射功率，h
SR
(n)和h
RD
(n)分别表示第n个时隙源节点用户S到无人机R和无人机R到目的节点用户D的信道增益，σ2表示噪声功率。
[0012]进一步的，以无人机R在通信时间T秒内的能效最大化为目标，建立无人机放大转发中继通信能效优化问题P1具体为：
[0013][0014]其中，a(n)，v(n)和q(n)分别表示第n个时隙无人机的加速度、速度和水平坐标，E表示无人机在T时间内的飞行能耗；C1表示源节点用户S和无人机R的最大发射功率约束，其中P
Smax
表示源节点用户S的最大发射功率，P
Rmax
表示无人机R的最大发射功率；C2表示源节点用户S和无人机R的平均发射功率分别不超过和其中，表示源节点用户S的平均功率，表示无人机R的平均功率；C3～C4表示无人机R的速度和轨迹约束，v(1)和v(N+1)
分别表示无人机的初速度v0和末速度v
F
，q(1)和q(N+1)分别表示无人机的初始位置[x0,y0]和终止位置[x
F
,y
F
]，下标F表示终止；C5～C6表示无人机的水平坐标q(n)、速度v(n)和加速度a(n)之间的线性关系；C7～C9表示最大、最小速度约束和最大加速度约束，无人机的飞行速度不能超过无人机飞行速度最大值v
max
、不能小于无人机飞行速度最小值v
min
，无人机的飞行加速度不能超过无人机飞行加速度最大值a
max
。
[0015]进一步的，源节点用户S和无人机发射功率优化子问题P2通过连续凸逼近得到最优源节点用户和无人机发射功率的具体过程包括将R
RD
(n)进行一阶泰勒展开，得到子问题P2.1为：
[0016][0017]其中为第j+1次迭代中R
RD
(n)关于的一阶泰勒展开值，
[0018]和分别为第j+1次迭代中源节点用户S和无人机的发射功率。
[0019]进一步的，无人机轨迹优化子问题P3通过连续凸逼近和Dinkelbach方法得到最优无人机轨迹的具体过程包括将R
RD
(n)进行一阶泰勒展开和引入松弛变量τ(n)，得到子问题P3.1为：
[0020][0021]其中，表示第j+1次迭代中R
RD
(n)关于和的一阶泰勒展开值，a
j+1
(n)，v
j+1
(n)，q
j+1
(n)分别表示第j+1次迭代中无人机的加速度，速度和水平坐标，τ
j+1
(n)表示第j+1次迭代中松弛变量τ(n)的取值，c1和c2表示无人机的空气动力常量参数，g表示重力加速度，[]T
表示转置。
[0022]进一步的，通过交替迭代优化得到最优的源节点和无人机发射功率以及最优的无人机轨迹具体步骤为：
[0023]步骤一：初始化无人机的飞行加速度、速度和轨迹{a(n),v(n),q(n)}、源节点用户和无人机发射功率{P
S
(n),P
R
(n)}，初始化迭代次数j＝0；
[0024]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法，其特征在于，包括建立无人机放大转发中继通信网络，所述无人机放大转发中继通信网络包括一个源节点用户S，一个目的节点用户D和一个采用放大转发协议的无人机R，源节点用户S和目的节点用户D之间的所有数据都需要无人机R进行转发；以无人机在通信时间T秒内的能效最大化为目标，利用无人机的轨迹约束、速度和加速度约束以及源节点用户和无人机的发射功率约束，建立无人机放大转发中继通信能效优化问题P1；根据无人机放大转发中继通信能效优化问题P1的源节点用户和无人机的发射功率约束以及无人机的轨迹约束，将P1分解为源节点用户和无人机发射功率优化子问题P2以及无人机轨迹优化子问题P3；源节点用户和无人机发射功率优化子问题P2通过连续凸逼近和凸优化求解器得到最优源节点用户和无人机发射功率，无人机轨迹优化子问题P3通过连续凸逼近和Dinkelbach方法得到最优无人机轨迹；结合子问题P2的连续凸逼近和凸优化求解器和子问题P3的连续凸逼近和Dinkelbach方法进行优化源节点用户和无人机发射功率、无人机轨迹的交替迭代算法，直到满足交替迭代结束条件，最终得到源节点用户和无人机发射功率最优解以及无人机轨迹最优解。2.根据权利要求1所述的使放大转发中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法，其特征在于，无人机在通信时间T秒内的总的信道容量R
tot
表示为：其中，B表示通信系统带宽，N表示通信时间T划分的时隙个数，δ为每个时隙的长度，R
RD
(n)表示第n个时隙无人机到目的节点用户D的瞬时信道容量，γ
D
(n)表示目的节点用户D处的信噪比，P
S
(n)表示第n个时隙源节点用户S的发射功率，P
R
(n)表示第n个时隙无人机R的发射功率，h
SR
(n)和h
RD
(n)分别表示第n个时隙源节点用户S到无人机R和无人机R到目的节点用户D的信道增益，σ2表示噪声功率。3.根据权利要求2所述的使放大转发中继通信能效最优的无人机轨迹和功率优化方法，其特征在于，以无人机R在通信时间T秒内的能效最大化为目标，建立无人机放大转发中继通信能效优化问题P1具体为：(P1)s.t.C1:0≤P
S
(n)≤P
Smax
,0≤P
R
(n)≤P
Rmax
C3:v(1)＝v0,q(1)＝[x0,y0]C4:v(N+1)＝v
F
,q(N+1)＝[x
F
,y
F
]
C6:v(n+1)＝v(n)+a(n)δC7:||v(n)||≤v
max
C8:||v(n)||≥v
min
C9:||a(n)||≤a
max
其中，a(n)，v(n)和q(n)分别表示第n个时隙无人机的加速度、速度和水平坐标，E表示无人机在T时间内的飞行能耗；C1表示源节点用户S和无人机R的最大发射功率约束，其中P
Smax
表示源节点用户S的最大发射功率，P
Rmax
...

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