【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人机通信，具体涉及一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法。
技术介绍
1、近年来，无人机在多领域范围内有着多样的研究与运用，其具备的小型化空中平台特性作为运输工具、通信工具等在作战领域和在公众领域都具备不可替代的优越性。在优异的性能以及广阔的运用场景刺激下，发展出了针对不同使用环境的不同无人机使用需求。其中，将无人机用于通信领域，作为通信基站或者转接设备的想法逐渐成为一个受人关注的方向，并得到了长足的发展，而新的运用环境也促使对新场景，新技术的思考与研究。
2、而在通信小区中，多用户分散通信导致通信负载需求的增加，但是建立更多的地面基站应对分散用户在时效性和经济性上表现较差。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，融合非正交多址接入技术和正交多址接入技术实现无人机航迹规划，解决通信速率不足，通信覆盖率低等通信性能问题，对通信小区覆盖的无人机通信提供通信性能更好的通信服务。
2、为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，包括：
4、步骤1：获取无人机通信环境数据，包括无人机允许飞行最大范围坐标集、单位距离1米的信道增益、通信小区用户坐标集、通信小区障碍坐标集；
5、步骤2：基于无人机通信环境数据，采用非正交多址接入和正交多址接入技术构建最大化地面用户的总体吞吐量的优化问题模型
6、步骤3：通过用户分组与发射功率分配优化最大化地面用户的总体吞吐量的优化问题模型的参数；
7、步骤4：采用根据改进型q-learning算法对优化参数后的最大化地面用户的总体吞吐量的优化问题模型进行迭代求解，得出无人机最优航迹。
8、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
9、上述的步骤1从无人机作为一个通信小区环境下的空中基站辅助通信环境下获得无人机允许飞行最大范围坐标集limit[l_x，l_y，l_z]；标准增益gd表示单位距离1米的信道增益；通信小区用户坐标集m，用户i位置坐标(xi,yi,0)∈m，i＝1，2，3，……，n_user。n_user为通信小区中用户数量；通信小区障碍坐标集o，障碍o位置(xo,yo,0)∈o，o＝1，2，3，……，n_osc。n_osc为通信小区中障碍数量。
10、上述的步骤2构建如下最大化地面用户的总体吞吐量的优化问题模型：
11、
12、
13、其中，cm,i,n为位置m与用户i在非正交多址接入技术信道n中的传输率；
14、mη为无人机飞行轨迹集；pn为信道总功率，p为无人机发射端总功率；
15、l为采用除了以通信小区障碍坐标集o为圆点半径为ro的坐标的通信小区坐标，以及最低飞行高度hfob以上坐标建立通信小区可行坐标位置集；ro为障碍半径；
16、m为无人机任意可能所在位置，其坐标为(xm,ym,zm)，m∈l，且zm＞hfob；
17、ξm,i,k∈{0,1}无人机位于位置m用户i在信道k的使用状况变量；
18、l_x，l_y为无人机允许飞行最大范围坐标集limit[l_x，l_y，l_z]中的x、y轴坐标；
19、l为服务人数，lmax为要求最低服务用户人数为；
20、为无人机在允许范围内飞行时，在位置m每移动一坐标单位的电量损耗，β为飞行损耗衰减常数。
21、上述的步骤3所述用户分组具体包括：对待分配用户信道增益进行排序，将最大信道增益的用户与最小信道增益用户进行大小比较，若不同则配对，若相同则将两个信号独自分配到一个信道中；将配对用户从待分配用户中删去，依次循环直至分配完成，如若遇到奇数待分配用户数，则将单独的用户独自分配进一个信道；在完成信道状态配对后未能配对用户再进行用户接入，通过比较接入用户后信道内信干噪比相差的和，选取相差更大的信道接入用户，依此进行用户接入直到用户分组完成。
22、上述的步骤3所述发射功率分配是在用户分组基础上对分组后信道内用户的发射功率以分数阶改善方式，通过改进发射功率增加用户传输率从而提高通信性能，改进后的用户传输率cm,i,n为：
23、
24、其中，αftpa为功率分配因子，pn为信道n的总发射功率，np为信道n中的信号数，为等效信道增益，其中dm,i为无人机位置m与用户i的欧氏距离，hm,i为无人机与位置m与用户i的信道增益，为信道高斯白噪声方差。
25、上述的步骤4所述改进型q-learning算法通过遍历环境求解q值表，得到整个环境的航迹最优选，从而得出最优航迹，如果未得到最优航迹或者结果未收敛则重复遍历直到得出最优航迹，且该过程中采用改进后的奖励函数，并将离散化的环境看作一个相同大小的立方体堆积形成的立方体，每次搜寻取点只去最外层的立方体，即如果每次搜寻都对未选取的点构成的立方体外表面刷上油漆，则只取有油漆的立方体的算法的有向搜寻方法加快算法收敛速度。
26、上述的改进后的奖励函数为：
27、
28、其中，cm,i,n为位置m与用户i在非正交多址接入技术信道n中的传输率；
29、l为采用除了以通信小区障碍坐标集o为圆点半径为ro的坐标的通信小区坐标，以及最低飞行高度hfob以上坐标建立通信小区可行坐标位置集；ro为障碍半径；
30、为无人机在允许范围内飞行时，在位置m每移动一坐标单位的电量损耗，β为飞行损耗衰减常数；np为信道n中的信号数。
31、本专利技术具有以下有益效果：
32、本专利技术提出融合非正交多址接入技术与正交多址接入技术，注重更贴近真实环境，传输率更高的无人机航迹规划方法，实现最大化综合效用的无人机航迹规划，改进基于noma通信的性能不足问题，并通过一种基于无人机对地通信的自适应用户分配算法，和改进搜寻方式的q-learning算法，使算法具有更少的迭代次数，更快解算时间，针对复杂环境下的无人机移动通信的航迹规划能够达到更好地效果。
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1.一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述步骤1从无人机作为一个通信小区环境下的空中基站辅助通信环境下获得无人机允许飞行最大范围坐标集Limit[L_x，L_y，L_z]；标准增益gd表示单位距离1米的信道增益；通信小区用户坐标集M，用户i位置坐标(xi,yi,0)∈M，i＝1，2，3，……，N_user；N_user为通信小区中用户数量；通信小区障碍坐标集O，障碍o位置(xo,yo,0)∈O，o＝1，2，3，……，N_osc；N_osc为通信小区中障碍数量。
3.根据权利要求1所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述步骤2构建如下最大化地面用户的总体吞吐量的优化问题模型：
4.根据权利要求1所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，步骤3所述用户分组具体包括：对待分配用户信道增益进行排序，将最大信道增益的用户与最小信道增益用户进行大小比较，若不同则配对，若相同则将两个信号独自分配到一个信道中；将配
5.根据权利要求1所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，步骤3所述发射功率分配是在用户分组基础上对分组后信道内用户的发射功率以分数阶改善方式，通过改进发射功率增加用户传输率从而提高通信性能，改进后的用户传输率Cm,i,n为：
6.根据权利要求1所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，步骤4所述改进型Q-Learning算法通过遍历环境求解Q值表，得到整个环境的航迹最优选，从而得出最优航迹，如果未得到最优航迹或者结果未收敛则重复遍历直到得出最优航迹，且该过程中采用改进后的奖励函数，并将离散化的环境看作一个相同大小的立方体堆积形成的立方体，每次搜寻取点只去最外层的立方体，即如果每次搜寻都对未选取的点构成的立方体外表面刷上油漆，则只取有油漆的立方体的算法的有向搜寻方法加快算法收敛速度。
7.根据权利要求6所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述改进后的奖励函数为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述步骤1从无人机作为一个通信小区环境下的空中基站辅助通信环境下获得无人机允许飞行最大范围坐标集limit[l_x，l_y，l_z]；标准增益gd表示单位距离1米的信道增益；通信小区用户坐标集m，用户i位置坐标(xi,yi,0)∈m，i＝1，2，3，……，n_user；n_user为通信小区中用户数量；通信小区障碍坐标集o，障碍o位置(xo,yo,0)∈o，o＝1，2，3，……，n_osc；n_osc为通信小区中障碍数量。
3.根据权利要求1所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述步骤2构建如下最大化地面用户的总体吞吐量的优化问题模型：
4.根据权利要求1所述的一种基于融合多址接入的无人机航迹规划方法，其特征在于，步骤3所述用户分组具体包括：对待分配用户信道增益进行排序，将最大信道增益的用户与最小信道增益用户进行大小比较，若不同则配对，若相同则将两个信号独自分配到一个信道中；将配对用户从待分配用户中删去，依次循环直至分配完成，如若遇到奇数待分配用户...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯斯梦，张云奕，刘凯，董超，吴启晖，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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