[发明专利]一种空地融合通信网络中的协同数据分发方法

摘要

本发明提出一种空地融合通信网络中的协同数据分发方法。空地融合通信网络架构下协同数据分发的优化问题建模；优化问题分析推导；优化地面通信与无人机通信的协调机制；优化频谱资源分配和无人机的飞行状态；协同数据分发优化。本发明通过协调地面无线通信网络与无人机通信网络，优化频谱资源分配和无人机的飞行状态，实现显著提升数据分发的性能，以及频谱资源的高效利用和无人机的节能飞行。

主权项

1.一种空地融合通信网络中的协同数据分发方法，其特征在于：优化目标是性能最差的地面节点在所有时隙上接收到的数据总量；优化变量包括在每个时隙n＝1,...,N上，基站和无人机对所有地面节点的调度与关联情况sk,n，无人机通信和地面通信的频谱资源分配比例ρn，以及无人机在每个时隙n＝1,...,N上的飞行轨迹qn、飞行速度vn和加速度an；约束条件包括：无人机的飞行状态约束；(2)地面基站和无人机之间的协调关系约束；(3)无人机的能耗约束；假设地面基站和无人机以协作的方式为K个地面节点分发数据，规定地面基站所处的位置为坐标原点(0,0)，地面节点的位置已知，第k个地面节点的位置为wk；无人机在高度为H的平面上飞行；在t时刻，无人机的飞行轨迹在水平面上的投影为q(t)；假定地面基站和无人机需要在时间T内完成数据分发的任务，将时间T离散化成N+1个时隙，每个时隙的长度为δt，因而任意时刻0≤t≤T可表示为t＝nδt,n＝1,...,N+1；在第n个时隙，无人机的飞行轨迹为qn；建立如公式(1)所示的地面通信与无人机通信的协调机制优化模型和如公式(2)所示的频谱资源的分配以及无人机的飞行状态更新模型：公式(1)和公式(2)中，l表示迭代次数，为s_m,k,n在第l次迭代后的值；为固定的每个时隙n＝1,...,N上的地面基站和无人机对地面节点的调度与关联情况；λ为惩罚因子，且λ≥0；辅助变量J_k为节点k在所有时隙上接收到的数据总量；s_k,n＝[s_1,k,n,s_2,k,n]，s_m,k,n∈[s_1,k,n,s_2,k,n]，m＝1,2,，s_1,k,n＝1表示地面基站在第n个时隙向节点k发送数据；s_2,k,n＝1表示无人机在第n个时隙向节点k发送数据；s_1,k,n＝0表示地面基站在第n个时隙不向节点k发送数据；s_2,k,n＝0表示无人机在第n个时隙不向节点k发送数据；C1为无人机的飞行状态需要满足的约束条件：其中，q1为无人机的初始位置，qN+1为无人机的终点位置；Vmin为无人机保持水平飞行状态的最小速度，Vmax为无人机能够达到的最大飞行速度，||·||2表示2‑范数；amax为无人机能够达到的最大飞行加速度；C2为了协调地面基站和无人机需要满足约束条件：C3是无人机在数据分发过程中的能量消耗需要满足如下约束条件：其中，P_uc为第n个时隙无人机发射信号的功率，为第n个时隙无人机飞行所需的功率，ε为无人机的飞行能量预算；公式(1)和公式(2)中其他表达式的具体形式为：μn,n＝1,...,N为辅助变量；建立如公式(1)所示的地面通信与无人机通信的协调机制优化模型和如公式(2)所示的频谱资源的分配以及无人机的飞行状态更新模型后，按照下述方法优化频谱资源分配比例以及无人机的飞行轨迹，飞行速度和加速度：步骤一、初始化：输入变量s_k,n，ρ_n，q_n和θ的初始化值和θ⁽⁰⁾，设定初始目标函数值误差精度ε，迭代次数l＝0；步骤二、依次迭代执行以下运算：(1)固定ρ_n和q_n分别为和求解优化模型(1)，得到优化变量s_k,n和θ的最优解和θ^*，使得θ^(l)＝θ^*，更新(2)固定s_k,n为求解优化模型(2)，得到优化变量ρ_n，θ，q_n，v_n和a_n的最优解θ^*，和更新θ^(l+1)＝θ^*，和(3)计算目标函数值(4)当满足时，l＝l+1，跳到(1)；否则迭代终止，进入步骤三；步骤三、将中的元素按照四舍五入取整并输出，同时输出所有时隙n＝1,...,N上的频谱资源分配比例以及无人机的飞行轨迹飞行速度和加速度