[发明专利]一种辅助移动车辆无线通信的无人机轨迹优化方法

说明书

本发明公开了一种辅助移动车辆无线通信的无人机轨迹优化方法，包括：S1、以最大化无人机飞行能量效率作为优化目标，建立无人机辅助行进车辆通信系统模型及其对应的数学表达式，所述数学表达式为优化问题P1；S2、获取系统模型中车辆的当前状态信息，根据车辆当前状态信息通过车辆轨迹预测模型得到车辆未来移动轨迹；S3、根据车辆未来移动轨迹，对优化问题P1近似处理转换为凸优化问题，得到优化问题P1的近似凸优化问题P2；S4、对所述近似凸优化问题P2进行求解，进而得到无人机飞行轨迹和功率分配。本发明能在提高无人机基站与地面移动终端之间的通信性能的同时，大幅度减少无人机飞行带来的能量损耗。

技术领域

本发明涉及无人机通信技术领域，具体涉及一种辅助移动车辆无线通信的无人机轨迹优化方法，应用于无人机辅助行进车辆通信系统。

背景技术

近些年来无人机一直是一个热门的领域，利用无人机作为载体进行货物配送、实时视屏传输、农业植保等在过于十几年里得到迅猛发展。由于其具有移动性强、体积小和造价低等特点未来还会在更多领域见到无人机的身影。无人机辅助通信系统是将传统固定基站与无人机结合，进而提供通信服务的无线通信系统。根据可能出现的通信服务密集的热点区域(例如体育赛事期间的体育场馆)或没有无线通信基础设施的区域(例如受自然灾害影响而通信中断的区域)，无人机飞行基站能够不受地理条件限制，提供即时通信服务，并可调整悬停位置及高度始终与地面用户保持视距(LoS)通信链接。同时无人机辅助通信系统也可以应用于物联网领域，对于物联网节点通常具有较小的发射功率、无法进行远距离通信的特点，无人机可以作为移动基站或移动中继，通过规划自身飞行轨迹，来辅助物联网节点在更短时间内完成数据传输业务。

随着第五代移动通信技术(5G)逐步开始商用，其具备更高传输速率、更大容量以及更低时延等特点，将会巨大改变以往传统的通信方式，互联网的发展也将从移动互联网进入智能互联网时代。未来5G的通信不仅仅是人的通信，物联网、工业自动化、无人驾驶等业务将被引入，通信从人与人之间通信，开始转向人与物的通信，直至机器与机器之间的通信。然而可以预见随着5G时代高速无线接入的需求不断增长，现有无线蜂窝网络技术无法满足相应的需求，其中端到端(D2D)通信、超密集组网(UDN)和毫米波(mmW)技术等是解决第五代移动通信技术(5G)中高速无线连接问题的关键。尽管这些技术能够满足未来5G时代的通信需求，但是这些解决方案仍具有一定的局限性。例如，端到端(D2D)通信需要在蜂窝网络中更好的进行频率规划和资源使用。同时，超密集组网(UDN)在回程，干扰和整体网络建模方面面临许多挑战。类似地，毫米波(mmW)通信更容易受到障碍物干扰，并且需要在视距(LoS)通信条件下，才能实现高速，低延迟的通信要求。通过引入无人机飞行基站方案对解决这些问题是很有帮助的，它能够在短时间内快速部署，提供视距(LoS)通信链接来有效缓解区域的高速无线接入的增长需求。

目前高通公司和ATT公司有计划对无人机进行通信测试，以便在即将到来的第五代(5G)无线网络中实现大规模无线通信应用。与此同时，日本运营商KDDI提出了“雄蜂基站”的设想，该无人机通过附近的地面宏基站或应急通信车来实现无线回传，而无人机的供电电源为自身携带的电池，由于受限于电池续航时间，飞行时间仅有30分钟，需要通过两组无人机交替飞行，来延长网络服务时间。国内无人机空中基站的应用主要是在自然灾害发生后通信中断的山区以及应急通信车辆无法到达的地方，中国移动采用的系留式无人机方案曾多次为自然灾害地区提供应急通信服务。但是由于需要与地面移动站进行有线连接，所以难以根据地面用户的通信需求进行自主飞行。目前存在有车载无人机的应用，是将无人机匹配一个较快于车辆的速度飞行，将车辆行驶过程中前方的路况信息传输至地面行进车辆，从而辅助车辆安全行驶。随着车联网与自动驾驶技术的发展，行驶过程中的车辆需要不断对周围地形进行探测并对路况进行评估，以保证汽车安全行驶。其中利用无人机作来辅助地面车辆安全行驶是极具前景的解决方法，由于其能够快速移动，并且不受地理条件限制，能够将前方路况信息反馈给移动车辆，来辅助汽车进行路况判断和路径选择。上述现有技术存在如下缺点：