[發明專利]全雙工無人機移動中繼系統及其路徑優化方法

有效

• 申請號: 201810083086.7
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108337034B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 王毅;華夢;馬鵬閣;張松煒;范遠璋;楊少川;閆利超;邸金紅;黃開枝;陶然
• 申請（專利權）人: 鄭州航空工業管理學院
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04W24/02;G05B13/04;G05D1/10
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

本發明公開了一種基于中斷概率最小化的全雙工無人機移動中繼系統及其路徑優化方法。該系統包括一個單天線信源節點、一個單天線目的節點和一個單天線無人機移動中繼節點。無人機移動中繼節點以全雙工的譯碼轉發模式工作，在指定的飛行時長內按照一定路徑進行飛行，并將信源節點的信息轉發至目的節點。所述方法以最小化系統總中斷概率為目標，以無人機飛行路徑為優化變量，并考慮無人機飛行速度約束來建立數學模型。用一階泰勒級數展開式，將原優化問題轉化為標準的二次約束二次規劃問題，再利用拉格朗日對偶法和子梯度法求解得到滿足中斷概率最小化的無人機中繼節點最優飛行路徑的閉合形式解。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，具體涉及基于中斷概率最小化的全雙工無人機移動中繼系統及其路徑優化方法。

背景技術

近年來，隨著無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技術的快速發展，特別是無人機生產成本的大幅降低和設備的小型化集成化，使得無人機從軍用領域向民用和工業領域中的應用越來越廣泛。比如，實時交通監控，森林異常監視，農業物聯網，電力線路巡檢，物流貨物運輸，中繼應急通信等方面。根據權威機構預測，到2020年，全球商用無人機市場將從2016年的20億美元猛增至1270 億美元，如此巨大的無人機市場，將為未來無人機應用帶來前所未有的機遇。利用無人機的低空和移動平臺特性，搭載上先進的收發信機和智能傳感設備進行高速數據傳輸成為無線通信領域的又一新的研究熱點，吸引了各國學者和專家越來越多的目光，而這種方式也正成為未來5G系統中解決千倍容量提升、大規模節點接入和高可靠低延時通信的重要途徑。

目前，針對無人機移動中繼協作通信系統的研究受到了越來越多的重視。該傳輸場景主要考慮的是當兩個或多個用戶(或用戶組)由于相距較遠，在沒有可靠的直達傳輸路徑情況下，通過單個或多個無人機中繼協作傳輸，來完成雙方或多方的信息交換。該場景常用于突發災害、軍事作戰、森林山區等地形地貌較為復雜，人車不易進入或不便于架設固定基站或固定中繼節點的區域。無人機將作為移動中繼節點進行接力協作傳輸，保障特定復雜地形區域內的通信需求。該類型無人機應用，通常尺寸相對較小，續航時間較短，載重較輕，可以靈活的進行能源補充。通過部署無人機移動中繼節點，可靈活劃分覆蓋區域，快速提升指定區域內的服務質量，對系統性能的提升帶來了巨大的幫助。由于無人機的可移動性，通過設定相應的飛行路徑，可以使得無人機處于空間有利位置，從而提高無線傳輸信道質量，一方面可大大降低無人機的發射功率，另一方面，也可以大幅提升無人機在飛行過程中所能提供的傳輸速率性能。

值得注意的是，現有針對無人機移動中繼系統的研究，大都考慮的是無人機的路徑優化對無人機系統的能量功耗和可達傳輸速率的性能影響，而未有考慮對時延敏感性業務而言的系統中斷概率性能。由于無人機的移動特性，其在信源與目的節點之間的距離將實時發生變化，從而影響著無人機節點到信源與目的節點的無線信道條件，因而，也就可能出現較大的中斷概率，從而對時延敏感性業務造成較大的影響。而針對無人機移動中繼系統的這一問題尚未有研究人員涉足。為了克服無人機在飛行過程中可能造成的中斷傳輸現象，我們提出了基于系統總中斷概率最小化的無人機飛行路徑優化模型，由于該模型中目標函數較為復雜且沒有精確的解析表達式，因而優化問題求解過程十分困難。

發明內容

針對以上問題，本發明公開了一種基于中斷概率最小化的全雙工無人機移動中繼系統及其路徑優化方法。如附圖1所示，該系統包括一個單天線信源節點、一個單天線目的節點和一個單天線無人機移動中繼節點。無人機移動中繼節點采用全雙工的譯碼轉發模式工作狀態，在指定的飛行時長內按照一定路徑進行飛行，并將信源節點的信息轉發至目的節點。本發明方法以最小化系統總中斷概率為目標，以無人機飛行路徑為優化變量，并考慮無人機飛行速度約束來建立數學模型。由于該優化問題中目標函數較為復雜，利用一階泰勒級數展開式，得到該目標函數的上界解析表達式。利用該解析表達式，可將原優化問題轉化為標準的二次約束二次規劃問題，再利用拉格朗日對偶法和子梯度法求解得到滿足中斷概率最小化的無人機中繼節點最優飛行路徑的閉合形式解。