[發明專利]無人機輔助認知衛星地面通信網絡多點協作傳輸方法

有效

• 申請號: 201811491448.2
• 申請日: 2018-12-07
• 公開（公告）號: CN109587690B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 王毅;華夢;馬鵬閣;劉兆瑜;郭榮幸;楊少川;郭慧
• 申請（專利權）人: 鄭州航空工業管理學院
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14;H04W16/22;H04B7/185
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙) 41120
• 代理人: 陳佳麗

1.無人機輔助認知衛星地面通信網絡多點協作傳輸方法，該無人機輔助認知衛星地面通信網絡包括一個由衛星與地面站組成的主級通信系統和一個由蜂窩基站、地面用戶以及無人機節點組成的次級通信系統，主級通信系統中衛星向地面站發送數據，次級通信系統共享主級通信系統的授權頻段，無人機節點按照指定路徑飛行，并與蜂窩基站同時向地面用戶發送數據；建立三維空間直角坐標系(x,y,z)，z軸坐標表示空間的高度位置信息，系統中任意節點的位置均由三維坐標向量表示，主級系統中的地面站、次級系統中的地面用戶和蜂窩基站位置坐標固定，無人機節點在三維空間中以固定高度H_u飛行，單次飛行時間為T，將該時間段分割為N個時隙，每個時隙寬度為δ，即δ＝T/N,第n個時隙無人機節點的位置坐標為q[n]＝(x[n],y[n],H_u)^T，假設時隙寬度足夠小，無人機節點飛行軌跡可由表示，假設蜂窩基站到地面站或地面用戶之間的無線信道滿足瑞利分布模型，假設第n個時隙無人機節點到地面站或地面用戶之間的無線信道滿足自由空間傳播損耗模型，假設衛星到地面站或地面用戶之間的無線信道滿足陰影瑞利衰落模型，其特征在于：所述多點協作傳輸方法包括以下步驟：

步驟一、主級系統中衛星以恒定發射功率P_s向地面站發送數據，同時，次級網絡中蜂窩基站和無人機節點在第n個時隙分別以發射功率p_b[n]和p_u[n]向地面用戶發送相同數據，主級系統與次級系統之間互相形成干擾，計算第n時隙地面用戶的數據傳輸速率R_m[n]；

第n時隙地面用戶的數據傳輸速率R_m[n]為

其中，h_m[n]表示第n時隙無人機節點到地面用戶的信道系數，f_m表示蜂窩基站到地面用戶的信道系數，P_s表示衛星的恒定發射功率，表示衛星到地面用戶的信道增益，表示衛星到地面用戶的信道系數，D表示衛星到地面用戶的距離，表示地面用戶的加性復高斯白噪聲功率，G_u表示無人機節點發射天線增益，G_b表示蜂窩基站發射功率增益，G_s(θ)表示衛星發射天線增益，并由衛星到地面用戶夾角所決定，可近似表示為其中，G_tx為正常數，θ_3dB表示功率衰減3dB時的天線角度，θ表示衛星到地面用戶之間的夾角，J₁(u)表示第一類一階貝塞爾函數，J₃(u)第一類三階貝塞爾函數；

步驟二、計算次級系統中無人機節點和蜂窩基站在第n個時隙對主級系統中地面站的干擾溫度γ_e[n]；

步驟三、基于步驟一和步驟二中次級系統地面用戶的數據傳輸速率和主級系統地面站的干擾溫度模型，以最大化地面用戶的數據傳輸速率為優化目標，并考慮無人機節點飛行速度和起止位置約束、無人機節點和蜂窩基站最大功率約束以及主級系統地面站受到的干擾溫度約束，建立以無人機節點飛行軌跡無人機節點發射功率和蜂窩基站發射功率為變量的數學模型：

其中，C1表示地面站的干擾溫度小于門限γ_th這一事件的概率P_r(γ_e[n]≤γ_th)要大于1-P_out，P_out表示中斷概率，C2表示無人機節點的飛行速度約束，V_max表示無人機節點最大飛行速度，C3表示無人機節點起止位置約束，q₀表示無人機節點起始位置，q_F表示無人機節點終止位置，C4表示蜂窩基站發射功率約束，表示蜂窩基站的最大發射功率值，C5表示無人機節點發射功率約束，表示無人機節點的最大發射功率值；

步驟四、對步驟三中的模型求解得到多點協作傳輸的最佳方案。

2.根據權利要求1所述的無人機輔助認知衛星地面通信網絡多點協作傳輸方法，其特征在于：所述步驟二中次級系統中無人機節點和蜂窩基站在第n個時隙對主級系統中地面站的干擾溫度γ_e[n]為：

其中，h_e[n]表示第n時隙無人機節點到地面站的信道系數，f_e表示蜂窩基站到地面站的信道系數，表示地面站的加性復高斯白噪聲功率。