[發明專利]一種推動功率受限的無人機基站帶寬和軌跡聯合優化方法

有效

• 申請號: 201910202484.0
• 申請日: 2019-03-11
• 公開（公告）號: CN109831797B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 蔡曙;張衛東;張軍
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W24/06;H04W28/20;H04L27/26;H04B7/185
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李淑靜

本發明公開了一種推動功率受限的無人機基站帶寬和軌跡聯合優化方法，適用于無人機應急通信場景。本發明在以單個無人機作為空中基站，從起始點飛往終點的過程中為多個用戶提供下行傳輸服務的場景中，在無人機推動功率和飛行時間受限的條件下，通過調整其飛行軌跡和用戶帶寬分配來最大化系統中各用戶的最小平均速率，根據無人機移動位置、推動功率以及帶寬約束建立非凸優化問題，并使用塊坐標下降和連續凸近似方法對該非凸優化問題進行轉化和求解，最大化了系統中各用戶的最小平均速率，進而實現了能量和頻帶資源利用率最大化。本發明對于推動功率和總帶寬受限條件下的無人機通信系統具有重要指導意義。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，具體是一種推動功率受限的無人機基站帶寬和軌跡聯合優化方法。

背景技術

目前通信網的組建和實現主要依賴于地面基站或者中繼以及其他的固定通信設備。這些設備雖然可以提供相對穩定的通信需求，但是無法移動的特性導致其在部署上具有一定局限性且造成較高的成本。在工程實際中，自然災害可能會對這些基礎設施造成嚴重的破獲，導致受災地區無法及時與外界取得聯系。此時無人機可以作為空中基站來輔助現有的通信系統。在這些場景中，無人機的高機動性和低成本具有很大的優勢。目前在無人機推動功率受限的條件下，將其作為空中基站并采用FDMA(frequency division multipleaccess，頻分多址)技術對多個用戶提供通信服務的研究尚屬空白。考慮到無人機在飛行過程中需要的推動功率數量級遠大于其通信過程中的消耗，因此在無人機能量受限情況下，其飛行路徑和通信資源的聯合優化，對于系統中用戶通信容量最大化具有重要的意義。

發明內容

發明目的：針對現有技術的不足，本發明提出一種推動功率受限的無人機基站帶寬和軌跡聯合優化方法，在推動功率和時間受限的條件下，通過調整軌跡和帶寬來最大化系統中各用戶的最小平均速率，從而獲得最優的飛行路線和帶寬分配方案。

技術方案：一種推動功率受限的無人機基站帶寬和軌跡聯合優化方法，包括以下步驟：

S10、根據用戶和無人機的地理位置以及空對地無線信道模型，建立信道衰落模型和相應的系統模型；

S20、根據無人機移動位置、推動功率以及帶寬約束建立非凸優化問題，該優化問題的目標為最大化系統中各用戶的最小平均速率；

S30、對上述非凸優化問題進行求解，得到無人機最佳的路徑規劃和帶寬分配方案。

所述步驟S10中系統模型為：用戶通過FDMA技術接入無人機通信系統，用戶n在每一個時隙的可達速率為：

其中，B_n[m]是在第m個時隙時無人機給用戶n分配的帶寬大小；p表示無人機在每個時隙給每個用戶的發射功率；g_n[m]是第m個時隙無人機與用戶n之間的信道功率增益；σ²是地面用戶接收到的噪聲功率譜密度；所述信道功率增益表達式為：

其中，H為無人機的飛行高度；q[m]是無人機在第m個時隙的位置；β₀表示相對距離d₀＝1時的功率增益；w_n表示用戶n的坐標。

進一步地，所述步驟S20中優化問題形式如下：

v[m+1]＝v[m]+a[m]δ,m＝0,...,M, (1.5)

q[0]＝q₀,q[M]＝q_F, (1.6)