[发明专利]一种基于无线能量传输网络的无人机三维轨迹的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于无线能量传输网络的无人机三维轨迹的设计方法。所述方法包括：无线能量传输网络的下行信道模型建立；基于用户采集能量最大化的数学模型的建立，包括无人机三维位置部署、充电时间分配以及能量波束方向图产生；联合优化无人机三维位置部署、充电时间、能量波束的低复杂度迭代算法的设计与分析；使用分支定界法设计无人机三维飞行轨迹。本发明提出将三维能量波束赋形技术应用于无线能量传输网络中，并建立该网络模型基于最大化用户采集能量的数学优化问题，应用低复杂度的迭代算法联合优化无人机三维位置部署、充电时间以及能量波束方向图，以实现在满足无人机海拔高度和覆盖区域限制的同时，最大化覆盖区域内用户采集的能量。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于无线能量传输网络的无人机三维轨迹的设计方法。

背景技术

物联网(Internet of Things，IoT)能使得异构智能设备之间参与连接，并使得设备能收集和交换信息，使用于智能家居、智能传输系统和智能城市。根据Gartner，在2017年高达8.4亿物联网设备在全世界使用，预计在2020年数量高达20.4亿。因此，下一代通信网络需要支持大规模设备通信服务，而传统的通信网络不能支撑如此高的数据要求。第五代通信网络(The fifth generation network，5G)能弥补当前通信网络的缺点，并为连接的设备提供千兆数据速率和低时延的通信服务。

事实上，5G网络连接大规模IoT设备并提供千兆数据速率和低时延通信，这导致消耗大量功率并缩短IoT设备的寿命，尤其是电池供电的移动设备。无线功率传输(Wirelesspower transfer，WPT)和能量采集(Energy harvesting，EH)技术作为延长5G网络中移动设备节点寿命的前途技术之一。WPT技术定义为能量源通过无线的方式传输能量到电子设备。特别地，电感耦合和磁共振耦合是WPT的两种能量传输技术，然而两者的传输距离分别是几厘米和几米，并不适合用于远距离能量传输。另一方面，射频(Radio frequency，RF)能量传输技术把能量包含于电磁波(3KHz～300GHz)中传输给电子设备，其传输距离可达几十千米。因此，基于RF的WPT技术可适用于远距离传输。然而，当发送端和接收端在灾害区或者偏远的山区中，其两者之间相隔较远，从而导致低效率的能量传输。

由于自组织性、灵活性和移动性等优点，无人机能迅速在偏远山区和地理受限地区快速部署并代替当地基站提供可靠且经济高效的无线连接。大体上。无人机分成低空平台(Low altitude platform，LAP)和高空平台(high altitude platform，HAP)。对于LAP，最大的海拔高度是400尺，而HAP可高达17千米。从另一方面来说，无人机可分成固定翼和旋翼。特别地，固定翼无人机能以高速率飞行且航行时间长，但不能悬停。四旋翼无人机能盘旋飞行但飞行速率低且航行时间短。

由于无人机有着许多优势，无人机结合无线功率传输技术近年来被提出并应用于多种场合给低功率的移动设备充电。然而，受板上电池容量的限制，无人机的航行时间有限，因此，现有的学者研究如何减少空气动力消耗和最大化无人机能量效率以延长无人机的续航时间。此外，提高收集能量和延长无人机航行时间通过优化无人机的飞行轨迹、位置部署、充电时间分配等。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，建立了无线能量传输网络的下行信道模型以及基于用户采集能量最大化的数学模型，提出了联合优化无人机三维位置部署、充电时间、能量波束的低复杂度迭代算法，在满足区域内用户覆盖需求的同时，最大化用户采集能量。此外，本发明建立了最小化航行轨迹的数学模型，使用分支定界法(Branch and Bound)设计最小航行距离，在满足航行距离最小化的同时，提升无人机的续航时间。本发明要解决的技术问题有：

问题1：结合三维动态能量波束赋形技术和直射路径，构建无线能量传输网络(Wireless power transfer，WPT)的下行信道模型；

问题2：针对下行信道模型，构建基于用户采集能量最大化的数学模型；