[发明专利]面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法

说明书

本发明公开了一种面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法。该方法考虑一个无人机作为中继的无线网络，该无人机在从起始点飞往终点的过程中，将源节点发送的信号转发给目的节点，在无人机信号发射功率受限，飞行时间受限，信息因果约束，以及链路传输速率约束的条件下，通过调整其航迹以及信号发射功率，优化无人机的总能耗。由于所得问题为一个非凸优化问题，难以直接进行求解，本发明使用连续凸近似(Successive Convex Approximation，SCA)方法对问题进行转化和求解。本发明适用于地形比较复杂、地面基站难以部署、或是通信质量差的地区，利用无人机作为移动中继为用户设备提供服务。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体是一种面向无线中继的低能耗的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法。

背景技术

目前的通信网主要是由地面基站或者中继等固定通信设备组成的。因此，要实现通信网的全覆盖，需要大量的设备部署，增加了通信的成本。而低空无人机系统，由于完全可控制的特点，在部署和重新配置更加迅速和灵活，因此更具成本效益。并且由于UAV视距通信的可能性较高，因此具有更好的通信信道，可以实现更高的通信速率。此外，在现实生活中，一些突发的自然灾害可能会对地面通信基础设施造成严重损害，导致受灾地区无法及时与外界保持联系，或者是一些地形比较复杂的地方，地面基站无法架设。在这些场景中急需无人机来辅助现有的通信系统。目前在无人机作为中继的场景下，考虑其能耗续航的航迹规划研究还尚属空白。由于其能量资源有限，没有适合的航迹规划，不但会造成巨大的资源浪费，还会导致用户需求无法满足。因此，在无人机中继场景下，针对无人机航迹以及信号发射功率的联合优化设计，具有现实性的意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种面向无线中继的无人机航迹和信号发射功率联合优化方法，实现低能耗的无人机中继通信。

技术方案：为达到上述目的，本发明采用的具体步骤如下：

(1)基于源节点、目的节点和无人机的地理位置，建立无线信道模型；

(2)根据无人机的速度、加速度约束，链路传输速率约束，信号发射功率约束，和信息因果约束建立优化问题；

(3)对步骤2中建立的非凸优化问题进行求解，得到无人机的航迹规划和信号发射功率分配方案。

进一步地，在步骤1中，源节点和目的节点与无人机之间都为空对地信道，且通信链路由LoS链路占决定性影响，将无人机的总飞行时间T划分为N个时隙，在第n个时隙，无人机接收信号的速率为：

其中p_s[n]为源节点在第n个时隙的信号功率；h_su[n]为在第n个时隙的源节点与无人机之间的信道增益；σ²为无人机处噪声的方差；H为无人机飞行的高度；S为源节点的水平坐标位置；q[n]为无人机在第n个时隙的水平坐标位置；而β₀为一个常量，是用户到无人机距离为1米时的信道增益；

在第n个时隙，目的节点接收速率为：

其中p_u[n]为无人机在第n个时隙的发射信号功率；h_ud[n]为在第n个时隙的无人机与目的节点之间的信道增益；D为目的节点的水平坐标位置。

所述步骤2中约束条件包括：

无人机飞行时速度满足||v[n]||≤V_maxv[n]为无人机第n个时隙时的速度，V_max表示它的最大可达速度；加速度满足||a[n]||≤a_max，a[n]为无人机第n个时隙时的加速度，a_max表示它的最大加速度；

目的节点所需传输速率满足η为目的节点的门限速率；