[發明專利]一種無人機的中繼選擇方法

有效

• 申請號: 202110199223.5
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113347593B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 劉占軍;譚新;梁承超;張嬌;王改新;陳前斌
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W4/40
• 分類號: H04W4/40;H04W24/02;H04W40/22;H04B7/185
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 陳棟梁

1.一種無人機的中繼選擇方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：利用衛星定位系統獲取用戶與基站的位置集合；

S2：根據任務傳輸路徑和計算位置定義三種傳輸模式，包括：用戶將任務發送給無人機計算，用戶將任務發送給無人機并由無人機將任務轉發給基站計算，用戶將任務發送給基站計算，構建網絡壽命模型；

S3：通過分別固定無人機位置、傳輸功率和傳輸模式中的兩個變量，將網絡壽命問題分解為位置優化問題、功率優化問題和模式優化問題，進行相應求解；當固定任務傳輸功率和傳輸模式時，將壽命問題轉換為位置優化問題并采用凸優化方法求解；

S4：當固定無人機位置和傳輸模式時，將壽命問題轉換為功率優化問題，針對問題非凸性采用一階泰勒展開式進行凸近似逼近并求解；

S5：當固定無人機位置和傳輸功率時，將壽命問題轉換為模式優化問題并采用線性規劃方法求解；

S6：采用塊坐標迭代算法求得最優無人機位置、任務發送功率以及傳輸模式行任務發送；

所述步驟S1根據任務傳輸路徑和計算位置定義三種傳輸模式，具體包括：

單個用戶的剩余壽命L_s表示為：

其中，L_s表示用戶s∈S的剩余壽命，S表示用戶集合，取值范圍為[0,1]，s_i代表用戶s發送的第i個任務，N_s表示用戶s發送的總任務數，E_s表示用戶s的初始總能量，表示用戶s發送第i個任務消耗的能量，表示用戶s發送第i個任務的模式選擇變量，其中k∈{1,2,3}表示模式1、模式2和模式3，三種傳輸模式分別為L0、L1、L2，的取值范圍為{0,1}，表示用戶s發送第i個任務時采用第k種傳輸模式，并且另外兩種傳輸模式不被選擇，則表示第k種傳輸模式不被選擇；

通過對網絡中所有用戶剩余壽命加和所述構建網絡壽命模型，具體包括：

用戶網絡的剩余壽命問題表示為:

s.t.C1:χ_uav∈D

C2:

C3:

C4:

C5:

其中，χ_uav＝(x_uav,y_uav,z_uav)表示無人機的運行坐標，x_uav,y_uav,z_uav分別表示三維坐標系中x軸、y軸、z軸坐標，表示任務i在第k個傳輸模式下的傳輸功率，P_max表示最大傳輸功率，R_min表示最小傳輸速率，表示用戶s在第k中傳輸模式下的傳輸速率，約束C1表示無人機的飛行范圍在位置固定集合D中；約束C2和C3表示用戶僅選擇一種傳輸模式進行任務傳輸；約束C4表示用戶的傳輸功率不能超過最大值P_max；約束C5表示任務的傳輸速率不能小于最小傳輸速率R_min，即任務傳輸速率必須足夠大來保證任務的可靠傳輸；

將用戶網絡的剩余壽命問題轉換為任務發送能耗最小問題進行求解，包括：

s.t.C1:χ_uav∈D

C2:

C3:

C4:

C5:

其中，

所述步驟S3當固定任務傳輸功率和傳輸模式時，將壽命問題轉換為位置優化問題并采用凸優化方法求解，具體包括：

位置優化模型表示為：

s.t.C1:H_min≤z_uav≤H_max

C2:x_uav,y_uav∈[-X,X]

H_min、H_max分別表示無人機飛行的最高高度和最低高度，X表示無人機水平面運動的坐標范圍，其中，該問題中的模式選擇變量和發射功率提前給定，只有無人機的位置是變量，因此該問題是一個凸優化問題，直接通過運用MATLAB中的CVX工具包仿真來求解最優位置；

所述步驟S4固定無人機位置和傳輸模式，將壽命問題轉換為功率優化問題，具體包括：針對問題的非凸性采用一階泰勒展開式進行凸近似逼近并求解；

功率優化模型表示為：

s.t.C1:

C2:

其中，該問題中的目標函數是一個非凸函數，因此該問題是個非凸問題，,采用連續凸近似的方式來進行求解；

令因為任何凸函數的一階泰勒展開式在任何點上都為該函數的下界，因此針對該問題在給定點的下界通過求解以下問題得到：

表示某一定點，U^r表示在定點下的函數下界，其中表示的高階無窮小，D₁表示為：

當給定任意一點和下限U^r，問題可以近似優化為：

s.t.C1:

C2:

D₁和U均表示中間函數，因為目標函數是凸函數，并且限制條件都為線性約束，因此該問題是一個凸問題，采用MATLAB中的CVX工具包仿真在內的標準凸優化求解方法進行求解；

所述步驟S5固定無人機位置和傳輸功率，將壽命問題轉換為模式優化問題并采用線性規劃方法求解,具體包括；

模式優化模型表示為：

s.t.C1:

C2:

C3:

因為在已經給定無人機的位置和任務發送功率時，目標函數中γ_k和都是固定值，只有為變量，而且三個約束條件都為線性約束，因此該問題是一個線性規劃問題，采用拉格朗日乘子法或單純形法在內的標準優化方法進行求解。

2.根據權利要求1所述的一種無人機的中繼選擇方法，其特征在于，所述步驟S6采用塊坐標迭代算法將三個子問題進行迭代求解，得到最優無人機位置、任務發送功率以及傳輸模式進行任務發送；塊坐標迭代算法的基本思想是通過循環固定兩個變量求解另一變量的局部最優解，并對求解的局部最優解進行循環迭代，直到迭代誤差小于門限值。