[發(fā)明專利]一種無人機(jī)協(xié)同的數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011469936.0
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112584321B
• 公開（公告）日: 2022-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于秦;張博
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H04W4/029
• 分類號: H04W4/029;H04W4/40;H04W24/02
• 代理公司: 北京艾格律詩專利代理有限公司 11924
• 代理人: 竇杰平

1.一種無人機(jī)協(xié)同的數(shù)能一體化網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法，包括用戶區(qū)域劃分、無人機(jī)懸停點(diǎn)求解、無人機(jī)飛行軌跡設(shè)計(jì)和優(yōu)化下行鏈路的吞吐量與收割能量四部分處理階段，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

S1、確定網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，設(shè)定模型由一個(gè)無人機(jī)、一個(gè)無人機(jī)充能點(diǎn)和多個(gè)距離不同的用戶設(shè)備組成，定義用戶設(shè)備的信息接收策略，以及定義無人機(jī)能耗模型；包括以下步驟：

S11：所述N個(gè)用戶設(shè)備表示為U＝{u₁，…，u_N)，其中，U表示N個(gè)用戶設(shè)備的集合，u₁至u_N分別對應(yīng)表示N個(gè)用戶設(shè)備，并且用戶與無人機(jī)之間是視距無線傳輸，無人機(jī)知曉用戶設(shè)備數(shù)量和位置，且知道無人機(jī)最大飛行速度為V，飛行高度為H，將任務(wù)時(shí)間T劃分為N_s個(gè)時(shí)隙，假設(shè)無人機(jī)懸停的區(qū)域有M個(gè)，每個(gè)區(qū)域中有K_j，j＝1，...，M個(gè)用戶設(shè)備；

S12：考慮用戶設(shè)備的信息接收情況進(jìn)而定義信息接收策略，用a_ui[n]∈{0，1}表示用戶設(shè)備u_i在時(shí)隙n的信息接收狀態(tài)，a_ui[n]＝1表示既接收信息也進(jìn)行能量收割，a_ui[n]＝0表示僅進(jìn)行能量收割，用戶采用時(shí)隙分割的方式來同時(shí)進(jìn)行信息接收與能量收割，設(shè)一個(gè)時(shí)隙長度為T_s，在一個(gè)時(shí)隙中，分配αT_s進(jìn)行能量收割，(1-α)T_s進(jìn)行信息處理，α表示0～1之間的一個(gè)固定值；

S13：無人機(jī)的能量消耗包括推進(jìn)功率消耗和傳輸消耗，推進(jìn)功率消耗由公式給出：

其中P₀和P_i分別表示懸停狀態(tài)下的葉片輪廓功率和感應(yīng)功率，U_tip表示轉(zhuǎn)子的葉尖速度，v₀被稱為懸停時(shí)的平均轉(zhuǎn)子感應(yīng)速度，d₀和s分別是機(jī)身阻力比和轉(zhuǎn)子堅(jiān)固度，而ρ和A表示空氣密度和轉(zhuǎn)子盤面積，V(t)表示無人機(jī)的飛行速度，傳輸消耗主要體現(xiàn)在無人機(jī)的發(fā)射功率消耗；

S2、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，求每個(gè)用戶設(shè)備的接收功率、收割能量功率和下行吞吐率；包括以下步驟：

S21：得到每個(gè)時(shí)隙每個(gè)用戶接收功率：設(shè)定劃分時(shí)隙中的無人機(jī)傳輸功率P₀[n]保持不變，在第n個(gè)時(shí)隙，無人機(jī)的下行傳輸信號x_j(t)為

其中，s_j(t)表示無人機(jī)在區(qū)域j中使用的隨機(jī)發(fā)射信號，設(shè)定隨機(jī)發(fā)送信號具有單位功率并且相互正交，在LOS信道傳輸條件下，得到用戶設(shè)備的接收功率為：

其中β表示參考距離為1m時(shí)的信道功率增益，d_j，ui表示無人機(jī)與用戶設(shè)備的距離，d_L表示路徑損耗；

S22：得到每個(gè)時(shí)隙每個(gè)用戶接收能量：根據(jù)接收功率得到收割能量功率：P_er，ui，即將收割得到的能量除以時(shí)間得到的功率，表達(dá)式為

其中η是能量收割效率；

S23：得到每個(gè)時(shí)隙每個(gè)用戶的下行吞吐率：在LOS信道下，根據(jù)香農(nóng)公式得到用戶設(shè)備的下行吞吐率：

其中表示用戶設(shè)備接收器處的噪聲功率；

S3、將用戶設(shè)備根據(jù)聚類算法劃分為多個(gè)區(qū)域，得到每個(gè)區(qū)域無人機(jī)最佳懸停位置；包括以下步驟：

S31：改進(jìn)聚類算法，將所有用戶設(shè)備按位置進(jìn)行聚類劃分為盡可能少的區(qū)域；

S32：無人機(jī)傳輸?shù)男畔⑴c能量需要滿足該區(qū)域內(nèi)所有用戶的需求，將該區(qū)域內(nèi)用戶設(shè)備接收功率最大化作為優(yōu)化目標(biāo)，通過尋找無人機(jī)最佳懸停位置使優(yōu)化目標(biāo)最大化，得到優(yōu)化問題：

P_w是用戶設(shè)備的平均能耗，從而在滿足優(yōu)化的條件下，將問題轉(zhuǎn)為廣義費(fèi)馬問題求解；

S4、引入充能點(diǎn)，并用動態(tài)規(guī)劃的方法求得無人機(jī)飛行軌跡；

在任務(wù)時(shí)間T的限定條件下，使用動態(tài)規(guī)劃方法解決無人機(jī)軌跡問題，得到動態(tài)規(guī)劃方程：

其中d(i，V)表示從懸停點(diǎn)i經(jīng)過集合V中所有點(diǎn)一次且僅一次的最短路，點(diǎn)i表示無人機(jī)懸停點(diǎn)中的任意一點(diǎn)，集合V表示無人機(jī)懸停點(diǎn)的集合，c_ik表示從點(diǎn)i到點(diǎn)k的距離，c_is表示從點(diǎn)i到點(diǎn)s的距離，d不是單獨(dú)的參數(shù)，而是d(i，v)整體表示關(guān)于i與V的函數(shù)，為便于分析，設(shè)定無人機(jī)的充能位置在上述用聚類方法求得的懸停點(diǎn)上；

S5、在每個(gè)區(qū)域，定義優(yōu)化目標(biāo)為收割能量最大化和總吞吐量最大化，得到優(yōu)化目標(biāo)的表達(dá)式以及其約束；包括下列步驟：

S51：考慮信息接收策略、最小收割能量約束、電池容量、無人機(jī)本身以及任務(wù)時(shí)間，得到所有用戶收割能量的最大化優(yōu)化問題；

S52：考慮信息接收策略、最小吞吐率約束、無人機(jī)本身以及任務(wù)時(shí)間，得到所有用戶總吞吐量最大化優(yōu)化問題；

S6、在一次任務(wù)時(shí)間內(nèi)，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的表達(dá)式以及其約束，求解出無人機(jī)最佳懸停時(shí)間和優(yōu)化問題的解；包括下列步驟：

S61：在任務(wù)時(shí)間內(nèi)，信息策略a_ui[n]是與傳輸協(xié)議相關(guān)，從所有時(shí)隙看，假設(shè)a_ui[n]是服從[0.6，0.8]的均勻分布，從而步驟S51和S52優(yōu)化問題時(shí)所提出的目標(biāo)函數(shù)變?yōu)棣?Sub>j相關(guān)的線性函數(shù)，將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題；

S62：得到僅能量優(yōu)化與僅信息優(yōu)化最優(yōu)解，并解出無人機(jī)在各個(gè)區(qū)域懸停時(shí)間，得到最大收割能量為E_max；

S7、將求得的最大收割能量處理后，作為約束條件優(yōu)化下行鏈路的總吞吐量，得出信息與能量聯(lián)合優(yōu)化的無人機(jī)懸停時(shí)間分配以及相應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)解，包括下列步驟：

S71：將用戶設(shè)備收割的總能量作為約束條件優(yōu)化用戶設(shè)備的總信息吞吐量，得到信息與能量聯(lián)合優(yōu)化問題；

S72：求解聯(lián)合優(yōu)化下，無人機(jī)各區(qū)域最優(yōu)懸停時(shí)間以及相應(yīng)的收割能量和信息吞吐量。