[发明专利]一种无人机辅助的高能效物联网数据收集方法

说明书

本发明公开了一种无人机辅助的高能效物联网数据收集方法，属于临空通信技术领域。首先构建N个无人机和M个地面物联网设备的上行通信场景，M个物联网设备向N个无人机传输数据。然后建立设备分组模型并求解，得到无人机与设备之间的最优分组和每个无人机的二维位置。求解每个设备组和信道之间的匹配资格矩阵，得到各设备组对应的匹配矩阵及信道分配结果。针对各个设备分配好的信道，进行信号传输，针对上行正交频分多址接入通信系统进行建模。分别对设备的总发射功率和每架无人机的高度进行优化，最后收敛得到最小的总发射功率，实现多临空无人机辅助物联网数据收集的节能。本发明减小了同信道信号之间的干扰，实现了节能绿色通信。

技术领域

本发明属于临空通信技术领域，具体是一种无人机辅助的高能效物联网数据收集方法。

背景技术

随着5G无线通信的商业化不断发展，物联网技术应用到了越来越多领域，如农业生产和环境监测等，物联网技术通过自动化和智能化正在逐步改善人们的生活质量。

物联网设备通常由电池供电并且体积很小，能够广泛部署和覆盖。但是由于功率的限制，物联网设备可能无法与距离较远的传统基站进行通信，尤其是在偏远地区、森林或者海洋等。现有的通用解决方案是采用卫星通信，但是，卫星通信成本高、时延高并且由于距离过长，信号衰减极其严重。

临空通信能够兼顾改善传统地面基站和卫星的不足，成为了世界各国的一个热门研究热点。一方面，相比卫星来说，临空飞行器具有低成本和低飞行高度的特性，能够显著提高信号传输速率；另一方面，相比地面基站，临空飞行器具有高移动性和灵活性，并且更易获得视距主导的信道，能够实现广泛、灵活、快速的覆盖和部署。同时，临空飞行器已经广泛应用到了军事、航拍、监视和灾害预警等领域。相比单个临空飞行器，多临空飞行器能够进一步覆盖更广阔的区域。因此，利用临空飞行器收集地面物联网设备的数据是一种有效、低成本的方法。

虽然临空飞行器作为基站带来了很多优势，但是仍有很多技术挑战。

以多个无人机作为临空基站与地面大量物联网设备进行通信为例，首先，由于物联网设备数量通常十分巨大，因此需要合理的分组。因为路径损耗随着距离的增加而增大，可以利用K-means分组策略。但是，这种策略不考虑无人机的服务容量以及信道限制。其次，无线通信资源尤其是频谱是有限的，利用正交频分多址的方式接入基站时，需要考虑不同无人机辅助的小区间的信号干扰，而利用固定信道接入方式或者随机信道接入方式都可能会产生极其严重的信号干扰，导致通信中断。所以，采用匹配理论进行动态信道分配是一个很有前景的方法；

再者，物联网设备体积小，通常受电池供电，需要合理地控制其发射功率，使得物联网设备能够长效工作；同时，由于无人机的高灵活性和三维属性，需要合理、快速地部署无人机基站，以获得更好的通信性能。利用穷尽搜索的方法可以得到最优的部署位置，但是随着无人机数量以及搜索精度的增加，计算复杂度是指数型的，这是不可容忍的；最后，物联网设备具有“活跃”的属性，即在一个大量物联网设备的场景中，传感器设备通常具有周期性的活跃状态，只有在一个周期内活跃的传感器设备才需要向无人机基站传输数据。因此，在物联网场景中的每一个更新周期，需要重新分组，信道重分配，功率重分配和无人机基站重新部署，并且此时，需要确定每架无人机在更新前后两次部署的轨迹，节省无人机运动的能耗。

综上所述，一个无人机作为基站辅助的通信网络，需要合理的分组策略、信道分配策略、功率控制策略以及无人机基站三维部署策略，并在网络节点发生变化时，进行资源再配置并确定无人机基站的轨迹，实现物联网设备的节能传输数据和无人机基站的节能调度。

发明内容