[发明专利]无人机携能传输的飞行轨迹与功率分配联合优化方法

说明书

本发明公开了一种无人机携能传输的飞行轨迹与功率分配联合优化方法。步骤如下：将无人机携能传输的飞行轨迹设计与功率分配的优化问题进行建模；将固定无人机飞行轨迹，更新无人机发射功率分配的优化问题建模为子问题一；将固定无人机发射功率分配，更新无人机飞行轨迹的优化问题建模为子问题二；两个子问题交替迭代优化，采用联合优化算法对无人机的飞行轨迹和发射功率分配进行联合优化。本发明可有效地解决物联网中地面节点能量受限，有线充电难以或无法实现，同时具有信息接收需求的携能传输问题；能够利用无人机的飞行特性改善信道状况，提高地面节点在无人机携能传输过程中的能量收集效率，并获得携能传输性能的提升。

技术领域

本发明涉及无线通信技术的物联网与无人机通信领域，具体地说，是一种无人机携能传输的飞行轨迹与功率分配联合优化方法。

背景技术

目前，随着无线通信技术的革新，物联网系统越来越受到研究的关注。一方面，地面物联网设备有信息指令需求去完成基础设施缺乏的物联网服务。另一方面，物联网设备通常是能量受限的。传统上，无线终端是用电池充电的，为了延长网络的寿命，必须手动更换电池或者给电池充电。它通常会带来高昂的代价与不便，而且很危险(在有毒的环境中)，甚至是不可行的(比如安装在建筑物内部的传感器或植入身体里的医疗器材)。

新兴的无人机技术被作为弥补现存物联网系统的革新方法。与传统的地面无线通信网络相比，作为空中收发器的无人机具有诸多优势。一方面，无人机有高度可控的移动性和低成本，另一方面，无人机辅助系统在部署和重新配置方面更加灵活快速。而且，由于具有较大视距传输链路的可能性，无人机与地面设备之间具有较好的信道状况以提高系统容量。此外，无人机能够动态地向物联网设备移动，从而提高信息传输和能量传送的效率。然而，在许多实际场景中，仅仅信息传输或能量传送在物联网系统中是不够的。所以，同时信息和能量传输技术，即携能传输技术在物联网中具有重要的应用前景，近年来引起了研究的热潮。

无人机辅助物联网系统的研究还处于起步阶段。现有的研究大多数集中于无人机向地面物联网设备传输信息或者从地面设备接收信息。并且在过去的几年中，出现了一些无人机辅助的信息传输或能量传输的研究工作，但是没有应用于物联网场景中。另一方面，虽然近年来对无线网络中的携能传输这一课题进行了广泛研究，但大部分研究成果没有直接应用于无人机辅助物联网系统中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机携能传输的飞行轨迹与功率分配联合优化方法。通过无人机携能传输的飞行轨迹与功率分配的联合优化，实现地面物联网设备收集能量最小者的最大化，以及同时满足每个地面设备接收一定数据量的需求。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种无人机携能传输的飞行轨迹与功率分配联合优化方法，包括以下步骤：

步骤1，将无人机携能传输的飞行轨迹设计与功率分配的优化问题进行建模。该优化问题包含优化目标、优化变量以及约束条件；

步骤2，将步骤1的原问题分解成两个子问题。将固定无人机飞行轨迹，更新无人机发射功率分配的优化问题建模为子问题一；将固定无人机发射功率分配，更新无人机飞行轨迹的优化问题建模为子问题二；

步骤3，将步骤2的两个子问题交替迭代优化，采用联合优化算法对无人机的飞行轨迹和发射功率分配进行联合优化。

进一步地，步骤1所述的无人机携能传输的飞行轨迹设计与功率分配问题的建立模型如下，