[发明专利]多无人机移动基站位置部署方法

说明书

本发明公开了多无人机移动基站位置部署方法，属于空地一体化领域。首先在二维矩形区域内随机分布K个地面用户和个无人机移动基站，建立每个无人机和所有地面用户的空间位置模型；利用空间位置模型，建立每个无人机到各地面用户的下行通信链路的信道增益，得到每个无人机与各用户间的二维距离R和仰角θ；然后重新整理信道增益与二维距离R之间的关系，计算无人机与其服务的用户之间的最远距离；根据最远距离构建最小化无人机数量的目标函数。最后在满足约束条件下求解目标函数，每组用户数尽量接近N_max；在每组中分别部署一架无人机，实现最大化信道增益的同时最小化其他用户的干扰，使本发明具有较好的鲁棒性。

技术领域

本发明属于空地一体化领域，具体是多无人机移动基站位置部署方法。

背景技术

无人机作为通信设备凭借其灵活性和低成本性，能够实现复杂地形环境中的快速部署，不仅适于在山区、远海和灾后等多种情况下的应急通信，还可以应用于情报、监视、目标获取和侦察等等军事领域，以及精准农业、航空摄影和城市低空巡航等民用领域，具有广阔的发展前景和极大的研究价值。

在传统的无线通信系统中，一般通过部署地面基站实现对地面用户的服务。然而，随着5G时代的到来，通信设备显著增加且通信需求日趋严格化，仅仅部署地面基站很难满足用户的通信需求。

而无人机基站与地面基站相比其部署较为灵活，且能够提供鲁棒性较强的视距(line-of-sight,LoS)传输，因此将其应用到无线通信系统中能够显著缓解地面基站的压力。

无人机在无线通信系统中可以担任不同的角色以完成不同的任务：作为移动基站时，无人机能够辅助地面基站实现对全部地面用户的服务；作为中继时，无人机可以在距离较远无法直接进行通信的两个用户之间构建连接，实现远距离目标间的无线通信；作为用户信息的接收者时，通过设计航迹可以实现用单架无人机完成全部地面用户信息的采集和传递。

由于对服务质量(quality-of-service,QoS)的要求和无人机信道容量的限制，单个无人机的服务范围和所能服务的地面用户数量均是有限的。如果无人机基站数量不足或部署的位置不恰当，有些地面用户与无人机之间无法建立有效通信；而如果为了保证通信的有效性而设立过多的无人机则会涉及到成本问题。

因此，只有恰当的部署无人机的位置，才能够实现对全部地面用户提供服务的同时使得所应用的无人机数量最少，尽可能的节约成本，使每架无人机的应用效率最大化。

发明内容

本发明针对上述问题，在考虑通信质量要求和信道容量限制的情况下，提出了一种多无人机移动基站位置部署方法，用尽可能少的无人机服务全部地面用户的同时优化服务质量并降低干扰。

具体步骤如下：

步骤一、在长为x_max、宽为y_max的二维矩形区域内随机分布K个地面用户和个无人机移动基站，建立每个无人机和所有地面用户的空间位置模型；

地面用户集合表示为：每个用户都是固定的。

无人机集合用表示；

空间位置模型包括每个无人机到每个用户的三维距离、二维距离和无人机到用户所在平面的仰角：

无人机m到地面用户k的三维距离

(x_m,y_m,z_m)为无人机m的坐标，(x_k,y_k,0)为用户k的坐标。

无人机m到地面用户k所在的二维平面的距离

无人机m到地面用户k所在平面的仰角

步骤二、利用空间位置模型，建立每个无人机到各地面用户的下行通信链路的信道增益；