[发明专利]一种考虑风的干扰的无人机通信系统能效性设计方案

说明书

本发明属于无人机与无线通信技术领域，涉及一种考虑风的干扰的无人机通信系统能效性设计方案。为了减小风对无人机的能耗影响以及其通信系统的能效性设计问题，本发明在考虑风对无人机的作用下，推导出了一个三维空间下通用的能耗推进模型(GPECM)，以及基于该模型针对无人机通信系统的提出一种基于离线设计的在线设计(OBOA)方案，以最大化系统的能效,该方案包括了在离线阶段，基于风的统计分布信息的离线无人机轨迹和用户选择策略优化，以及在在线阶段，基于离线阶段得到的轨迹对无人机飞行速度和轨迹的在线优化。

技术领域

本发明属于无人机与无线通信技术领域，涉及一种考虑风的干扰的无人机通信系统能效性设计方案。

背景技术

无人机在未来的无线通信系统中能够提供低成本且高效的多样化服务的能力引起了业界广泛的关注。无人机具有的一些特性，如高机动性和快速部署的能力，使得无人机能够轻松地与地面通信节点建立视距(LoS)链接并实现高质量的数据收集和交付任务，并同时能够适应各种复杂的环境。无人机也因此可用于许多工业应用中，例如，物联网(IoTs)的数据收集、移动边缘计算、安全通信和灾后通信服务恢复等。

尽管无人机具有以上的诸多优势，然而，随着其任务的多样化，能耗成为是无人机通信系统的一个关键问题。具体来说，由于无人机的尺寸和重量限制，有限的机载能量显著限制了它们执行长期性的飞行任务，因为无人机的各种飞行状态都会引起额外的推进能量消耗。现有的对无人机通信系统的研究仅仅考虑了简单的能耗约束，如文献Z.Liu,R.Sengupta,and A.Kurzhanskiy,“A power consumption model for multi-rotor smallunmanned aircraft systems,”in 2017International Conference on UnmannedAircraft Systems(ICUAS),2017,pp.310–315和D.Yang,Q.Wu,Y.Zeng,and R.Zhang,“Energy tradeoff in ground-to-UAV communication via trajectory design,”IEEETransactions on Vehicular Technology,vol.67,no.7,pp.6721–6726,2018，它们都不能有效地描述无人机在真实环境中的推进能耗。因此，建立一个更准确的无人机的通用的推进能耗模型来量化无人机能量消耗，对于无人机通信系统的能效性设计至关重要。现有的研究从二维或三维的角度介绍了各种无人机推进能耗模型，并提出了无人机通信系统中相应的节能化设计。如文献X.Xiong,C.Sun,W.Ni,and X.Wang,“Three-dimensionaltrajectory design for unmanned aerial vehicle-based secure and energy-efficient data collection,”IEEE Trans.Veh.Technol.,2022，作者通过考虑无人机的飞行速度，推导出了二维空间下的无人机推进能耗模型，并在无人机通信系统中对其轨迹进行了优化设计，使得在满足通信约束下，无人机的总能耗最小化。在文献X.Xiong,C.Sun,W.Ni,and X.Wang,“Three-dimensional trajectory design for unmanned aerialvehicle-based secure and energy-efficient data collection,”IEEETrans.Veh.Technol.,2022中，作者通过无人机飞行动力学推导出无人机的三维推进能耗模型，其中该模型涉及到了无人机的速度、加速度和机身平面俯仰角等参量，并在考虑数据窃听的场景下优化无人机的轨迹和通信资源分配，实现了能效性设计。