[發(fā)明專利]一種空時(shí)分組編碼的無人機(jī)中繼通信航跡規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710201116.5
• 申請日: 2017-03-30
• 公開（公告）號(hào): CN107094044B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉海濤;趙文強(qiáng);李春鳴;王磊;李冬霞
• 申請（專利權(quán)）人: 中國民航大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B7/185
• 分類號(hào): H04B7/185;H04B7/08;H04B7/06;H04L1/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 杜文茹

1.一種空時(shí)分組編碼的無人機(jī)中繼通信航跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)建立空時(shí)分組編碼的無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)模型，包括：

(1)t時(shí)刻在可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)以一定的功率P₁在兩個(gè)連續(xù)時(shí)隙，以空時(shí)分組編碼的方式通過兩個(gè)發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)；

(2)無人機(jī)分別在第一個(gè)時(shí)隙和第二個(gè)時(shí)隙接收到來自可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，再以一定的功率P₂采用放大轉(zhuǎn)發(fā)方式轉(zhuǎn)發(fā)接收到的可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)；

(3)在基站節(jié)點(diǎn)分別在第三和第四個(gè)時(shí)隙接收到無人機(jī)發(fā)射的信號(hào)，基站節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)通過信道估計(jì)精確獲得所有信道的衰落系數(shù)，采用最大比值合并方法對兩個(gè)時(shí)隙接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)合并處理；包括：

a)在第三個(gè)時(shí)隙，基站節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)接收天線接收到無人機(jī)發(fā)射的信號(hào)分別表示為：

在第四個(gè)時(shí)隙，基站節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)接收天線接收到無人機(jī)發(fā)射的信號(hào)分別表示為：

式中，s₁代表第1個(gè)時(shí)隙可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)中的第1個(gè)發(fā)射天線(A1)發(fā)送符號(hào)；s₂代表第1個(gè)時(shí)隙可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)中的第2個(gè)發(fā)射天線(A2)發(fā)送符號(hào)；代表第2個(gè)時(shí)隙可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)中的第1個(gè)發(fā)射天線(A1)發(fā)送符號(hào)；代表第2個(gè)時(shí)隙可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)中的第2個(gè)發(fā)射天線發(fā)送符號(hào)，其中*代表復(fù)共軛運(yùn)算；r₁¹代表無人機(jī)接收天線在第1個(gè)時(shí)隙接收到來自可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)；代表無人機(jī)接收天線在第2個(gè)時(shí)隙接收到來自可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)；G代表增益因子；代表在第三個(gè)時(shí)隙基站節(jié)點(diǎn)的第1個(gè)接收天線(B1)接收到來自無人機(jī)發(fā)射的信號(hào)；代表在第三個(gè)時(shí)隙基站節(jié)點(diǎn)的第2個(gè)接收天線(B2)接收到來自無人機(jī)發(fā)射的信號(hào)；代表在第四個(gè)時(shí)隙基站節(jié)點(diǎn)的第1個(gè)接收天線接收到來自無人機(jī)發(fā)射的信號(hào)；代表在第四個(gè)時(shí)隙基站節(jié)點(diǎn)的第2個(gè)接收天線接收到來自無人機(jī)發(fā)射的信號(hào)；P₂代表無人機(jī)發(fā)射信號(hào)功率；代表在第三個(gè)時(shí)隙基站節(jié)點(diǎn)第1個(gè)接收天線接收到的均值為0，方差為的復(fù)高斯白噪聲；代表在第三個(gè)時(shí)隙基站節(jié)點(diǎn)的第2個(gè)接收天線接收到的均值為0，方差為的復(fù)高斯白噪聲；代表在第四個(gè)時(shí)隙基站節(jié)點(diǎn)的第1個(gè)接收天線接收到的均值為0，方差為的復(fù)高斯白噪聲；代表在第四個(gè)時(shí)隙基站節(jié)點(diǎn)的第2個(gè)接收天線接收到的均值為0，方差為的復(fù)高斯白噪聲；代表無人機(jī)第1個(gè)發(fā)射天線到基站節(jié)點(diǎn)第1個(gè)接收天線的信道衰落系數(shù)；代表無人機(jī)第1個(gè)發(fā)射天線到基站節(jié)點(diǎn)第2個(gè)接收天線的信道衰落系數(shù)，所述信道衰落系數(shù)建模為：

其中，n＝1,2；m＝1；代表無人機(jī)第m個(gè)發(fā)射天線到基站節(jié)點(diǎn)第n個(gè)接收天線之間信道的小尺度衰落系數(shù)，所述小尺度衰落系數(shù)建模成均值為0，方差為1的復(fù)高斯隨機(jī)變量；d_UB代表無人機(jī)至基站節(jié)點(diǎn)的距離，為方便化簡，上式中引入了以下參量：

b)基站節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)通過信道估計(jì)精確獲得所有信道的衰落系數(shù)：

c)基站節(jié)點(diǎn)采用最大比值合并方法對兩個(gè)時(shí)隙接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)合并處理：

基站節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)按下式對基站節(jié)點(diǎn)兩個(gè)時(shí)隙接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)合并處理：

將和分別代入該式，化簡后得到：

式中，

2)以遍歷容量最大化準(zhǔn)則建立無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的航跡規(guī)劃模型，包括：

(1)求t時(shí)刻無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的遍歷容量；包括：

t時(shí)刻無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的遍歷容量表示為：

其中，r_out,t代表t時(shí)刻基站節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)解調(diào)器輸入的瞬時(shí)信噪比，具體為：

其中，||·||_F代表Frobenius范數(shù)；d_AU代表可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)到無人機(jī)的距離；α代表路徑損耗因子；代表無人機(jī)接收天線在t時(shí)刻接收到的復(fù)高斯白噪聲的方差；代表基站節(jié)點(diǎn)接收天線接收到的復(fù)高斯白噪聲的方差；

由上式觀測到：基站節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)解調(diào)器輸入的瞬時(shí)信噪比由可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)至無人機(jī)的距離d_AU、無人機(jī)至基站節(jié)點(diǎn)的距離d_UB、可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)至無人機(jī)鏈路的小尺度衰耗和無人機(jī)至基站節(jié)點(diǎn)的小尺度衰耗聯(lián)合確定；

(2)分別求可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)至無人機(jī)的距離和無人機(jī)至基站節(jié)點(diǎn)的距離；

(3)建立無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的航跡規(guī)劃模型；包括：

t時(shí)刻無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的遍歷容量公式表示為：

對t時(shí)刻無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)的遍歷容量公式進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，并取展開式的第一項(xiàng)為：

其中，E{r_out,t}代表t時(shí)刻基站節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)解調(diào)器輸入的平均信噪比，表示為：

其中，d_AU,t代表t時(shí)刻可移動(dòng)式接入節(jié)點(diǎn)到無人機(jī)的距離；d_UB,t代表t時(shí)刻無人機(jī)至基站節(jié)點(diǎn)的距離；

考慮到(17)式計(jì)算仍比較困難，再次利用泰勒級(jí)數(shù)對上式展開，并取展開式中的第一項(xiàng)為：

將d_AU,t和d_UB,t代入上式，觀測得到以下結(jié)論：在t-Δt時(shí)刻無人機(jī)位置給定情況下，t時(shí)刻無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)基站節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)解調(diào)器輸入平均信噪比僅決定于t時(shí)刻無人機(jī)的航向角δ_t，為使t時(shí)刻無人機(jī)中繼通信系統(tǒng)鏈路容量最大化，基于遍歷容量最大化準(zhǔn)則來優(yōu)化無人機(jī)的航向角，所述優(yōu)化無人機(jī)的航向角的優(yōu)化問題表述為：

此外進(jìn)一步考慮到log₂(·)為單調(diào)遞增函數(shù)，優(yōu)化無人機(jī)的航向角的問題最后表示為：

其中，代表t時(shí)刻無人機(jī)的最佳航向角；上述優(yōu)化無人機(jī)的航向角的問題的求解通過一維線性搜索方法解決。