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

技术特征：
1.一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：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；s2、求解无人机对一个地面传感器的最小飞行时间；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。2.根据权利要求1所述的一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，其特征在于，步骤s1的具体步骤如下：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；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地空信道模型；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
，作为该传感器的区间的结束和下一个传感器区间的开始；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v
n1
、数据收集阶段的速度v
n2
、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。3.根据权利要求2所述的一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，其特征在于，步骤s12的具体实现过程如下：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：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；
则传感器所获得的总的能量为：其中，为每个传输间隔中无人机传输能量给传感器的时间；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：其中，α为路径损耗指数；z
n
第n个传感器传输数据给无人机范围区间的起始点；s123、最小化无人机总的飞行时间，具体公式如下：其中，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。4.根据权利要求3所述的一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，其特征在于，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：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，传感器需上传超过b
n
比特的数据：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；s1222、每个传感器发射功率所消耗的能量不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
5.根据权利要求1所述的一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，其特征在于，步骤s2的具体实现过程如下：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，且设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：其中，0≤v
(1)
≤v
max
0≤v
(2)
≤v
max
s0≤x≤z≤y≤s
2222
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；s22、通过给定一个能满足约束条件s0≤x≤z≤y≤s2的(x,y)，将优化单个传感器的最小飞行时间转变为如下优化：其中，
6.根据权利要求书5所述的一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，其特征在于，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：s221、给定v
(2)
、t
(2)
，求解v
(1)
、z、t
(1)
；具体优化过程如下：其中，0≤v
(1)
≤v
maxmaxmax
其中，能量约束为计算出花费最少的时间：通过积分变换将该公式积分解出来，得到：即：设e2＝p
(2)
t
(2)
，获取新的最小飞行时间为：
其中，0≤v
(1)
≤v
maxmaxmax
其中，e2为发送数据所需要的能量；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；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：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；s222、利用步骤s221中获取的v
(1)
、z、t
(1)
，求解v
(2)
、t
(2)
：其中，0≤v
(2)
≤v
maxmaxmax
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：
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：其中，其中，p
(2)
*t
(2)
≤e1计算出b
max
的积分，得到：其中，b
max
(v)≥b满足条件，则求出若满足条件则用b
max
(v)＝b来计算，获取最大的v
(2)
，即得到了最短的时间；若计算出来的时，满足b的条件，则采用悬停方案，用悬停计算，若是则提供的能量不足；计算出t
(2)
，根据以下式子求出所需要收集的能量：e
(2)
＝p
(2)
t
(2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)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)，即获取最优解。7.根据权利要求1所述的一种无人机通信技术结合无线能量传输的联合优化方法，其特征在于，步骤s3具体步骤如下：s31、取[s
n
,s
n 1
]区间的中点j
n
作为y
n
和x
n 1
，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；s32、对每个地面传感器进行计算，依次获取所有传感器的最优解，得到每个传感器的最优区间为最优区间为和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。

技术总结
本发明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，包括步骤：S1、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；S2、求解无人机对一个地面传感器的最小飞行时间；S3、扩展无人机对所有地面传感器的解。本发明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。用价值。用价值。


技术研发人员：黄高飞 赵讯 叶炜 赵赛 唐冬
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：2021.07.13
技术公布日：2021/11/4