[發(fā)明專利]一種多天線無人機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器發(fā)射能耗優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010357427.2
• 申請日: 2020-04-29
• 公開（公告）號: CN111479239B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡曙;陳龍;張軍;郭永安;張衛(wèi)東
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: H04W4/40
• 分類號: H04W4/40;H04W24/02;H04W52/28;H04W52/30;H04W52/38
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李淑靜

1.一種多天線無人機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳感器發(fā)射能耗優(yōu)化方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括單個多天線無人機和多個傳感器，以單個多天線無人機作為空中基站服務(wù)多個地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點，所述方法包括以下步驟：

(1)根據(jù)傳感器節(jié)點和無人機的地理位置以及空對地?zé)o線信道模型，建立信道衰落模型和相應(yīng)的系統(tǒng)模型，所述信道衰落模型為：

其中，β₀表示當(dāng)無人機與傳感器距離間隔為1m時的信道增益；d_k表示無人機與傳感器節(jié)點k之間的距離；為無人機天線陣列采用均勻等距線陣而產(chǎn)生的導(dǎo)向矢量，λ為信號中心頻率f所對應(yīng)的波長，d為陣列振元之間距離；j表示無人機航跡上第j個路段，把路段j均等分為N_j個路徑間隙，n_j表示路段j的第n_j個路徑間隙；θ_jk[n_j]為無人機位于路段j的第n_j個路徑間隙時，傳感器節(jié)點k與其陣列法線的夾角；q_j[n_j]為無人機的位置，用路徑間隙n_j的中點近似表示，w_k為傳感器節(jié)點k的水平坐標位置；H為無人機的飛行高度；

所述系統(tǒng)模型為：

在無人機飛行過程中，只有所在路段兩端的傳感器節(jié)點向無人機發(fā)送信息，在路段j＝1的第n_j個路徑間隙時，傳感器節(jié)點j的上行可達速率為：

在路段j＝K+1中的第n_j個路徑間隙時，傳感器節(jié)點j-1的上行可達速率為：

當(dāng)路段j＝2,...,K時，無人機使用ZF方案進行信號接收，在路段j的第n_j個路徑間隙時，傳感器節(jié)點j-1和j的上行可達速率分別為：

其中w_1j[n_j]和w_2j[n_j]為無人機的接收矩陣，當(dāng)j＝1時，w_1j[n_j]為無人機接收第1個傳感器信號的接收矩陣，當(dāng)j＝K+1時，w_1j[n_j]為無人機接收第K個傳感器信號的接收矩陣，當(dāng)j＝2,...,K時，w_1j[n_j]和w_2j[n_j]分別為無人機接收第j-1個和第j個傳感器信號的接收矩陣，p_jj-1[n_j]為傳感器節(jié)點j-1在路段j的第n_j個路徑間隙時的信號功率，σ_r²為噪聲功率譜密度；

(2)根據(jù)無人機飛行時間約束、傳感器節(jié)點發(fā)射功率約束以及鏈路傳輸速率約束建立優(yōu)化問題，所述優(yōu)化問題通過優(yōu)化無人機的速度和傳感器節(jié)點的信號發(fā)射功率來最小化傳感器節(jié)點的最大能耗，優(yōu)化問題為：

P:

0≤0＜v_j[n_j]≤v_max,j＝1,...,K+1, (1.4)

0≤p_j+1j[n_j+1]≤p_max,j＝1,...,K, (1.5)

0≤p_jj[n_j]≤p_max,j＝1,...,K, (1.6)

其中，min表示最小化運算，S_j表示第j段路徑的長度，v表示無人機速度，v_max為無人機最大飛行速度，p表示傳感器發(fā)射功率，p_max為傳感器最大發(fā)射功率，J表示所有傳感器能耗，T表示飛行時間，s.t表示約束條件，(1.1)表示傳感器節(jié)點上行容量約束，(1.2)表示傳感器節(jié)點的能耗約束，(1.3)限制了無人機的飛行時間，(1.4)表示無人機的速度約束，(1.5-1.6)表示傳感器節(jié)點的功率約束；

(3)對步驟(2)中得到的優(yōu)化問題進行求解，得到無人機最佳的航速和傳感器節(jié)點的功率分配方案，包括：

a)、給定一組可行性的無人機初始速度規(guī)劃和傳感器節(jié)點的功率分配方案；

b)、針對步驟2的非凸優(yōu)化問題建立相應(yīng)的凸優(yōu)化問題，更新無人機速度規(guī)劃和傳感器節(jié)點的功率分配方案，并將其作為新的初始值；

c)、迭代執(zhí)行步驟b，直到算法收斂，將輸出值作為無人機速度規(guī)劃和傳感器節(jié)點的功率分配方案。