[發明專利]一種多天線無人機數據采集系統的傳感器發射能耗優化方法

有效

• 申請號: 202010357427.2
• 申請日: 2020-04-29
• 公開（公告）號: CN111479239B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 蔡曙;陳龍;張軍;郭永安;張衛東
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 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所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李淑靜

本發明公開了一種多天線無人機數據采集系統的傳感器發射能耗優化方法，適用于物聯網通信場景。所述數據采集系統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多個地面傳感器節點，所述方法包括以下步驟：根據傳感器節點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；根據無人機飛行時間約束、傳感器節點發射功率約束以及鏈路傳輸速率約束建立優化問題，所述優化問題通過優化無人機的速度和傳感器節點的信號發射功率來最小化傳感器節點的最大能耗；對優化問題進行求解，得到無人機最佳航速和傳感器節點功率分配方案。本發明可實現能量消耗的最小化，延長了傳感器節點設備的續航能力。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，具體涉及一種多天線無人機數據采集系統的傳感器發射能耗優化方法。

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得局限性且成本較高。在物聯網環境中，能源效率，超低延遲，可靠性和高速上行鏈路通信成為主要挑戰。IoT設備受電池的限制很大，并且由于其能量限制，通常無法長距離傳輸。無人機是解決與物聯網相關的諸多挑戰的有效手段。目前，以多天線無人機作為空中基站服務多個地面傳感器節點以提供節能通信服務的研究尚屬空白。考慮到物聯網設備可能會部署在沒有地面無線基礎設施的環境中(例如山區和沙漠地區)，難以進行能量的補充。因此，以多天線無人機作為空中基站服務多個地面傳感器節點以提供節能通信服務的研究是具有重要的意義的。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提出一種多天線無人機數據采集系統的傳感器發射能耗優化方法，在推動功率受限，飛行時間受限和鏈路最小吞吐量約束的條件下，通過優化無人機飛行速度以及各個傳感器節點的信號發射功率，來降低傳感器節點的最大發射功耗。

技術方案：一種多天線無人機數據采集系統的傳感器發射能耗優化方法，所述數據采集系統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多個地面傳感器節點，所述方法包括以下步驟：

(1)根據傳感器節點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；

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

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

進一步地，所述步驟1中信道衰落模型為：

其中，β₀表示當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生的導向矢量，λ為信號中心頻率f所對應的波長，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為傳感器節點k的水平坐標位置；H為無人機的飛行高度。

進一步地，所述步驟1中系統模型為：

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