一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法与流程

1.本发明涉及无人机无线通信和无线能量技术领域，尤其涉及一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法。


背景技术：

2.近年来，无人机一直是一个热门的领域，利用无人机作为载体进行货物配送、实时视频传输、农业植保等在过去十几年里得到迅猛发展。由于其具有移动性强、体积小和造价低等特点，未来还会在更多领域见到无人机的身影。无人机辅助通信系统可以应用于物联网领域，物联网节点通常具有较小的发射功率、无法进行远距离通信等特点，无人机可以作为移动基站或移动中继，通过规划自身飞行轨迹，来辅助物联网节点在更短时间内完成数据传输业务。
3.然而，现有的研究工作都集中在提高传感器节点的能效或频谱效率上，却忽略了无人机的有限能量是无人机辅助无线网络的基本瓶颈之一这一事实。无人机的主要能源消耗在于推进控制系统，无人机的能耗模型十分复杂，在无人机最大速度有限制的情况下，减少飞行时间是减少无人机能量损耗的一种有效方式。但是现有的无人机的最小飞行时间优化方案，却没有考虑无线能量传输，传感器的电池也很快就耗尽，从而导致网络连接的中断。


技术实现要素：

4.为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，通过无人机飞行速度的优化，能量传输和数据收集两个阶段的时间优化，对无人机飞行时间进行优化，使其在满足无人机与地面传感器通信要求的同时，减少无人机的飞行时间，能够节省无人机的飞行能耗，提升无人机作为飞行基站进行辅助通信的应用价值。
5.本发明采用以下技术方案来实现：一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，包括以下步骤：
6.s1、通过建立无人机与地面传感器无线能量传输和数据传输模型，联合优化无线能量传输区间、数据传输区间、无人机速度、无人机在无线能量传输区间工作的时间和无人机在数据传输区间工作的时间，进而最小化无人机总的飞行时间；
7.s2、求解无人机对一个地面传感器的最小飞行时间；
8.s3、利用无人机对一个地面传感器的最小飞行时间的解，扩展无人机对所有地面传感器的解。
9.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
10.1、本发明针对无人机高移动性和视线传输的特点，在无人机与地面传感器通信中，地面传感器通过射频能量收集电路，收集无人机提供的射频能量为节点供电，以解决常规地面信息采集节点需要电池维护导致的系统寿命受限问题；同时，根据无人机飞行速度
优化，能量传输和数据收集两个阶段的时间优化，对无人机飞行时间进行优化，使其在满足无人机与地面传感器通信要求的同时，减少无人机的飞行时间，能够节省无人机的飞行能耗，提升无人机作为飞行基站进行辅助通信的应用价值。
11.2、本发明将无人机用作移动数据中心和能量中心，给地面传感器提供无线能量供应，地面传感器通过收集到的能量将数据发送至无人机，与其他无人机收集地面节点数据的模型相比，该模型利用无人机通过无线能量传输，给地面传感器提供方便稳定的能量供应，从而可以解决地面传感器由于电池能量受限导致使用寿命短的问题；而且，为了实现无人机最小化飞行时间，设计了一种结合优化能量传输和数据收集的方法，并在此方法下推导出了一种将能量传输和数据收集阶段进行迭代计算的优化算法，进而可以节省无人机的飞行能耗，实现绿色无人机数据收集系统。
附图说明
12.图1是本发明的方法流程图；
13.图2是无人机飞越传感器进行数据收集示意图；
14.图3a是传感器分布为二维且具有给定访问顺序分布示意图；
15.图3b是传感器分布为二维且具有给定访问顺序转换为线模型的等效模型示意图；
16.图4是优化最小飞行时间的算法流程图。
具体实施方式
17.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
18.实施例
19.如图1所示，本实施例一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，基于无人机作为地面传感器数据收集中心的模型和无线能量传输模型，主要包括以下步骤：
20.s1、通过建立无人机与地面传感器无线能量传输和数据传输模型，联合优化无线能量传输区间、数据传输区间、无人机速度、无人机在无线能量传输区间工作的时间和无人机在数据传输区间工作的时间，进而最小化无人机总的飞行时间；
21.s2、求解无人机对一个地面传感器的最小飞行时间；
22.s3、利用无人机对一个地面传感器的最小飞行时间的解，扩展无人机对所有地面传感器的解。
23.本实施例中，步骤s1的具体步骤如下：
24.s11、通过在地面上设置若干个传感器，利用无人机飞越n个传感器进行数据收集；具体地，如图2所示，若设置的传感器位于一条线上，设编号为s1s2...s
n
，h为无人机飞行固定高度，w为带宽，β0为参考信道比，无人机对传感器的射频发射功率固定为p
(1)
，传感器向无人机发数据时发射功率固定为p
(2)
，信道模型采用los(视线传输)地空信道模型；如图3a所示，若设置的传感器是二维且具有给定访问顺序，则将其转换为如图3b所示的线模型的等效模型，取[s
n
,s
n 1
]区间的中点j
n
作为y
n
和x
n 1
，即作为该传感器的区间的结束和下一个传感器区间的开始。
[0025]
s12、将无人机的传输区间分成两个部分；设无人机飞行对第n个传感器传输能量
时的时间为每个传输间隔的第一部分，在中，无人机传输能量给传感器；[x
n
,z
n
]为无人机传输能量给传感器的范围区间，并且在该范围区间内，无人机以固定速度飞行或者无人机悬停在某个点传输能量，再以最大速度v
max
飞走；设无人机飞行对第n个传感器收集数据时的时间为每个传输间隔的第二部分，在中，传感器利用收集的能量将数据传输给无人机，[z
n
,y
n
]为传感器传输数据给无人机的范围区间，在[z
n
,y
n
]中，无人机以固定速度飞行；优化v
n1
,v
n2
,x
n
,y
n
,z
n
,即无人机分别在能量收集阶段的速度
vn1
、数据收集阶段的速度
vn2
、无人机传输能量区间[x
n
,z
n
]和收集数据区间[z
n
,y
n
]、无人机传输能量所花费的时间和无人机收集数据所花费的时间来优化无人机的最小飞行时间。
[0026]
本实施例中，步骤s12的具体实现过程如下：
[0027]
s121、在第一部分无人机传输能量给传感器的范围区间[x
n
,z
n
]中，通过无人机使用射频无线传输在下行链路中为用户充电，传感器收集能量，设无人机对传感器的射频发射功率固定为p
(1)
，则传感器收集能量的功率为：
[0028][0029]
其中，为每个传输间隔中无人机传输能量给传感器的时间；η为无线能量传输效率，是一个常数，且0<η<1；h
n
第n个无人机传输能量区间的信道增益；x
n
第n个无人机传输能量区间的起始点；s
n
为第n个传感器的位置；
[0030]
则传感器所获得的总的能量为：
[0031][0032]
其中，为每个传输间隔中无人机传输能量给传感器的时间。
[0033]
在该过程中，无人机在区间[x
n
,z
n
]中给传感器传输数据，无人机可以飞行时或者悬停时传输能量，若无人机采用悬停方案，则无人机提前以最大速度飞至z
n
点或者s
n
点的上方，然后在z
n
点或者s
n
点的上方保持悬停传输能量，接着以最大速度飞到下一个传感器的传输区间。
[0034]
其中，无人机在能量传输时是否悬停，用来判断，若x
n
＝z
n
，则表示无人机处于z
n
点悬停传输能量，若x
n
≠z
n
，即则表示无人机一边飞行一边传输能量；
[0035]
s122、在第二部分传感器传输数据给无人机的范围区间[z
n
,y
n
]内，传感器利用第一部分无线能量传输中收集到的能量，传输数据给无人机，设传感器向无人机发数据时发射功率固定为p
(2)
，则传感器上传数据的速率为：
[0036][0037]
其中，α为路径损耗指数，一般α≥2，本实施例取值为α＝2；z
n
第n个传感器传输数
据给无人机范围区间的起始点。
[0038]
若以无人机的最小速度飞行时，无人机飞到下一个传感器传输区间时，无人机还未能收到传感器全部数据，则无人机将会提前悬停在z
n
点或者s
n
点的上方，收集完所需数据之后以最大速度飞向下一个传感器的传输区间。
[0039]
其中，无人机在接收数据时是否悬停，用来判断，若z
n
＝y
n
，则表示无人机处于z
n
点或者s
n
点的上方悬停接收数据；
[0040]
s123、最小化无人机总的飞行时间，具体公式如下：
[0041][0042]
其中，
[0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049]
其中，为无人机在飞行时传输数据；i
h
为无人机在悬停时传输数据。
[0050]
具体地，步骤s122中传感器传输数据给无人机的过程中，具有以下的约束条件：
[0051]
s1221、在第二部分传感器传输数据给无人机的范围区间[z
n
,y
n
]内，传感器必须上传超过b
n
比特的数据：
[0052][0053]
其中，n为迭代次数；b
n
为第n个传感器需要上传的数据量；
[0054]
s1222、每个传感器发射功率所消耗的能量不能超过本身携带的能量，且设传感器用固定发射功率p
(2)
来传输数据，则
[0055][0056]
本实施例中，步骤s2的具体实现过程如下：
[0057]
s21、将步骤s1中最小化无人机总的飞行时间转换为单个传感器的最小飞行时间，先将多个传感器的最小飞行时间转换为单个传感器的最小飞行时间，设(s0,s2)为该传感器的传输区间，s1为传感器的位置，且假定s1＝0，通过最小化无人机总的飞行时间获取单个传
感器的最小飞行时间如下：
[0058][0059]
其中，
[0060]
0≤v
(1)
≤v
max
[0061]
0≤v
(2)
≤v
max
[0062]
s0≤x≤z≤y≤s2[0063][0064][0065][0066][0067]
其中，v
(1)
无人机传输能量时的飞行速度；v
(2)
为无人机接收数据时的飞行速度；x为无人机传输能量区间的起始点；z为传感器传输数据区间的起始点；y为传感器传输数据区间的结束点；t
(1)
为无人机飞行时传输能量所消耗的时间；t
(2)
为无人机飞行时传感器传输数据所消耗的时间；t
h1
无人机悬停时传输能量所消耗的时间；t
h2
为无人机悬停时传感器传输数据所消耗的时间；i
z≠x
＝1为无人机在飞行时传输能量；i
z＝x
＝1为无人机在悬停时传输能量；i
z≠y
＝1为无人机在飞行时传输数据；i
z＝y
＝1为无人机在悬停时传输数据；
[0068]
s22、通过给定一个能满足约束条件s0≤x≤z≤y≤s2的(x,y)，将上述优化单个传感器的最小飞行时间变为如下优化：
[0069][0070]
其中，
[0071]
0≤v
(1)
≤v
max
[0072]
0≤v
(2)
≤v
max
[0073][0074][0075][0076]
[0077]
如图4所示，本实施例中，步骤s22的优化最小飞行时间的求解通过以下迭代求解进行：
[0078]
s221、给定v
(2)
、t
(2)
，求解v
(1)
、z、t
(1)
；具体优化过程如下：
[0079][0080]
其中，
[0081]
0≤v
(1)
≤v
max
[0082][0083][0084][0085]
其中，能量约束为直接去等号即可计算出花费最少的时间：
[0086][0087]
通过积分变换将该公式积分解出来，得到：
[0088][0089]
即：
[0090][0091]
设e2＝p
(2)
t
(2)
，获取新的最小飞行时间为：
[0092][0093]
其中，
[0094]
0≤v
(1)
≤v
max
[0095][0096]
[0097][0098]
其中，e2为发送数据所需要的能量。
[0099]
求解新的最小飞行时间，利用二分法找到满足数据量约束的z值并定义为z
max
，在(x,z
max
)给定z，判断是否能满足速度的约束条件，若能，求解v
(1)
，t
(1)
，否则，在(x,z)中用二分法找到能满足约束条件且时间最小的z值。
[0100]
计算无人机悬停对传感器传输能量时所消耗的时间计算公式如下：
[0101][0102]
计算出无人机悬停对传感器传输能量时所消耗的时间后，和非悬停状态时间进行对比，取时间短的为将对应的z值带入到步骤s222中迭代求解。
[0103]
s222、利用步骤s221中获取的v
(1)
、z、t
(1)
，求解v
(2)
、t
(2)
：
[0104][0105]
其中，
[0106]
0≤v
(2)
≤v
max
[0107][0108][0109][0110]
计算无人机悬停对传感器收集数据时消耗的时间计算公式如下：
[0111][0112]
通过约束条件p
(2)
t
(2)
≤e1，得到即v
(2)
有最小速度继续优化为：
[0113][0114]
其中，
[0115]
[0116][0117]
p
(2)
*t
(2)
≤e1[0118][0119]
计算出b
max
的积分，得到：
[0120][0121]
由上可知，b
max
(v
(2)
)和v
(2)
成反比，也就是说，只要b
max
(v)≥b满足条件，就可以求出那么只要满足条件就直接用b
max
(v)＝b来计算，这样就可以得到最大的v
(2)
，即得到了最短的时间。
[0122]
若计算出来的时，才能满足b的条件，那么此时将采用悬停方案，用悬停来计算，若是则提供的能量不足。
[0123]
计算出t
(2)
，根据以下式子求出所需要收集的能量：
[0124]
e
(2)
＝p
(2)
t
(2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0125]
将该值代入步骤s221中迭代求解，迭代求解最后的判断条件为迭代过程后v
(2)
、t
(2)
不变，或者给定的v
(2)
、t
(2)
与计算所得v
(2)
、t
(2)
差值小于一个误差，即且成立，则认为得到固定的一组(x,y)的解，用列举法列举出多组(x,y)，即可获取最优解。
[0126]
本实施例中，步骤s3具体步骤如下：
[0127]
s31、取[s
n
,s
n 1
]区间的中点j
n
作为y
n
和x
n 1
，即作为该传感器传输区间的结束和下一个传感器传输区间的开始；
[0128]
s32、对每个地面传感器进行计算，依次得到所有传感器的最优解，得到每个传感器的最优区间为器的最优区间为和
[0129]
s33、判断和与[s
n
,s
n 1
]区间的中点j
n
的关系，判断若则令并重新计算该传感器节点的最优解；判断若则令并重新计算该传感器节点的最优解。
[0130]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。