[發明專利]多無人機移動基站位置部署方法

有效

• 申請號: 202010015412.8
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111194038B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 肖振宇;張忱;章樂怡
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04B7/185
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

本發明公開了多無人機移動基站位置部署方法，屬于空地一體化領域。首先在二維矩形區域內隨機分布K個地面用戶和個無人機移動基站，建立每個無人機和所有地面用戶的空間位置模型；利用空間位置模型，建立每個無人機到各地面用戶的下行通信鏈路的信道增益，得到每個無人機與各用戶間的二維距離R和仰角θ；然后重新整理信道增益與二維距離R之間的關系，計算無人機與其服務的用戶之間的最遠距離；根據最遠距離構建最小化無人機數量的目標函數。最后在滿足約束條件下求解目標函數，每組用戶數盡量接近N_max；在每組中分別部署一架無人機，實現最大化信道增益的同時最小化其他用戶的干擾，使本發明具有較好的魯棒性。

技術領域

本發明屬于空地一體化領域，具體是多無人機移動基站位置部署方法。

背景技術

無人機作為通信設備憑借其靈活性和低成本性，能夠實現復雜地形環境中的快速部署，不僅適于在山區、遠海和災后等多種情況下的應急通信，還可以應用于情報、監視、目標獲取和偵察等等軍事領域，以及精準農業、航空攝影和城市低空巡航等民用領域，具有廣闊的發展前景和極大的研究價值。

在傳統的無線通信系統中，一般通過部署地面基站實現對地面用戶的服務。然而，隨著5G時代的到來，通信設備顯著增加且通信需求日趨嚴格化，僅僅部署地面基站很難滿足用戶的通信需求。

而無人機基站與地面基站相比其部署較為靈活，且能夠提供魯棒性較強的視距(line-of-sight,LoS)傳輸，因此將其應用到無線通信系統中能夠顯著緩解地面基站的壓力。

無人機在無線通信系統中可以擔任不同的角色以完成不同的任務：作為移動基站時，無人機能夠輔助地面基站實現對全部地面用戶的服務；作為中繼時，無人機可以在距離較遠無法直接進行通信的兩個用戶之間構建連接，實現遠距離目標間的無線通信；作為用戶信息的接收者時，通過設計航跡可以實現用單架無人機完成全部地面用戶信息的采集和傳遞。

由于對服務質量(quality-of-service,QoS)的要求和無人機信道容量的限制，單個無人機的服務范圍和所能服務的地面用戶數量均是有限的。如果無人機基站數量不足或部署的位置不恰當，有些地面用戶與無人機之間無法建立有效通信；而如果為了保證通信的有效性而設立過多的無人機則會涉及到成本問題。

因此，只有恰當的部署無人機的位置，才能夠實現對全部地面用戶提供服務的同時使得所應用的無人機數量最少，盡可能的節約成本，使每架無人機的應用效率最大化。

發明內容

本發明針對上述問題，在考慮通信質量要求和信道容量限制的情況下，提出了一種多無人機移動基站位置部署方法，用盡可能少的無人機服務全部地面用戶的同時優化服務質量并降低干擾。

具體步驟如下：

步驟一、在長為x_max、寬為y_max的二維矩形區域內隨機分布K個地面用戶和個無人機移動基站，建立每個無人機和所有地面用戶的空間位置模型；

地面用戶集合表示為：每個用戶都是固定的。

無人機集合用表示；

空間位置模型包括每個無人機到每個用戶的三維距離、二維距離和無人機到用戶所在平面的仰角：

無人機m到地面用戶k的三維距離

(x_m,y_m,z_m)為無人機m的坐標，(x_k,y_k,0)為用戶k的坐標。

無人機m到地面用戶k所在的二維平面的距離

無人機m到地面用戶k所在平面的仰角

步驟二、利用空間位置模型，建立每個無人機到各地面用戶的下行通信鏈路的信道增益；