CN108834049B - 无线供能通信网络及确定其工作状态的方法、装置 - Google Patents

无线供能通信网络及确定其工作状态的方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线供能通信网络，该网络使用无人机作为移动无线接入点进行无线充电和数据收集，并根据各个无线设备的位置数据进行联合优化确定无人机的飞行路径、网络实时的工作模式以及无线设备的瞬时信息传输功率，相对于传统的固定位置基站的无线供能通信网络，在满足无人机的最大速度约束和无线设备的能量收集约束的同时，提高了上行链路的共同信息吞吐量，解决了双远近效应问题，一定程度上提高了供能和通信效率。此外，本发明还提供了一种确定无线供能通信网络工作状态的方法和装置，其作用与上述无线供能通信网络的作用相对应。

Description

无线供能通信网络及确定其工作状态的方法、装置
技术领域
本发明涉及通信以及无线能量传输领域，特别涉及一种无线供能通信网络，以及一种确定无线供能通信网络的方法和装置。
背景技术
随着信息时代的发展，现代无线技术日益成熟，人们的生活离不开无线网络的应用。目前，为了突破电池续航能力对无线通信设备的限制，基于射频技术的无线充电技术备受瞩目。基于射频技术的无线充电技术可以为物联网低功耗设备例如射频识别标签提供方便稳定的能源。与基于电磁感应和电磁耦合的近场无线充电技术对比，基于射频的远场无线充电技术的有效范围广，收发装置简易，且可以同时对多个无线设备充电，即使这些设备是移动的或者密集部署的。
把这种基于射频的无线充电技术与现有的无线通信技术相结合，就组成了无线供能通信网络。现阶段的无线供能通信网络包括一个固定的基站以及一些的无线低功耗通信设备组成，基站通过下行链路发射射频信号对所有的无线低功耗通信设备进行无线充电，而这些设备就可以使用从下行链路获取到的能量通过上行链路的无线信息传输发送自身的信息到基站上。也就是说，基站在下行链路中是无线能量发送机而在上行链路中是无线信息接收机，无线低功耗通信设备在下行链路中是无线能量接收机而在上行链路中是无线信息发送机。
但是，由于现有的无线供能通信网络是利用一个放置在固定位置的传统基站作为无线接入点，而网络中的无线低功耗通信设备是在一定范围内随机部署的，所以不同的无线设备与基站的距离是有差异的。由于射频信号会随着距离的增大而急剧衰弱，当基站和各个无线设备之间的距离差异较大，会发生“双远近效应”，即一方面，在下行链路中距离基站比较远的无线设备只能接收到较少的能量，另一方面，这些无线设备由于距离基站较远，发送相同的信息量需要更多的能量，因此，就会导致基站从这些距离较远的无线设备上获得的信息量远远少于从其他无线设备获得的信息量，最终导致无线供能通信网络的供能和通信效率较低。
综上可见，如何解决传统的无线供能通信网络的供能和通信效率较低的问题，十分具有研究意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线供能通信网络，以及一种确定无线供能通信网络工作状态的方法和装置，用以解决传统的无线供能通信网络的供能和通信效率较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无线供能通信网络，包括基站，多个无线设备，以及控制器，所述基站为无人机；
所述控制器预先根据各个所述无线设备的位置数据确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)，其中
Figure BDA0001697891650000021
K为所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量；
在所述无线供能通信网络的工作过程中，所述控制器控制所述无人机按照q(t)飞行，并获取当前飞行时刻t，根据当前飞行时刻t确定传输模式ρk(t)，若所述传输模式ρk(t)满足
Figure BDA0001697891650000022
且
Figure BDA0001697891650000023
则根据所述当前飞行时刻t，确定无线设备k在t的瞬时信息传输功率Qk(t)，并控制无线设备k按照所述瞬时信息传输功率Qk(t)向所述无人机传输信息；若所述传输模式ρk(t)满足ρ0(t)＝1且
Figure BDA0001697891650000024
则控制所述无人机按照预设能量传输功率向各个所述无线设备传输能量。
本发明还提供了一种确定无线供能通信网络工作状态的方法，应用于如上所述的无线供能通信网络，包括：
将所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量记为K，并将各个所述无线设备分别记为无线设备1，无线设备2，…无线设备k，…无线设备K，其中
Figure BDA0001697891650000025
获取无线设备k的水平坐标wk；
获取所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，其中，t∈[0,T]，T为所述无人机的飞行周期；
根据wk和q(t)，确定所述无人机在t时刻与无线设备k之间的距离，并记为dk(q(t))；
根据dk(q(t))，确定所述无人机与无线设备k之间的信道功率增益hk(q(t))；
预先设置指示参数
Figure BDA0001697891650000031
并限定
Figure BDA0001697891650000032
当所述无人机向各个所述无线设备传输能量时，ρ0(t)＝1且
Figure BDA0001697891650000033
当无线设备k向所述无人机传输信息时，
Figure BDA0001697891650000034
且
Figure BDA0001697891650000035
根据所述信道功率增益hk(q(t))和指示参数ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中接收到的总能量
Figure BDA0001697891650000036
无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量Rk({ρk(t),q(t),Qk(t)})，以及无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure BDA0001697891650000037
其中，Qk(t)为无线设备k的瞬时信息传输功率；
在满足能量收集约束
Figure BDA0001697891650000038
且满足所述无人机的飞行速度不大于预设阈值Vmax的条件下，确定使
Figure BDA0001697891650000039
满足预设条件的q(t)，ρk(t)和Qk(t)，即确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)。
其中，所述获取所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，包括：
确定所述无人机的预设飞行高度H，获取所述无人机在t时刻的瞬时位置在水平方向上的投影坐标q(t)。
其中，所述根据所述信道功率增益hk(q(t))和指示参数ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中接收到的总能量
Figure BDA00016978916500000310
无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量Rk({ρk(t),q(t),Qk(t)})，以及无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure BDA00016978916500000311
包括：
根据所述信道功率增益hk(q(t))和指示参数ρk(t)，计算无线设备k在t时刻接收到的能量Ek(ρ0(t),q(t))＝ηPρ0(t)hk(q(t))，其中，0＜η≤1，η为无线设备k的能量转换效率，P为所述无人机的能量传输功率；
根据Ek(ρ0(t),q(t))，计算无线设备k在整个飞行周期T中能收获到的总能量
Figure BDA0001697891650000041
根据所述信道功率增益hk(q(t))和指示参数ρk(t)，计算无线设备k在t时刻的可达信息速率
Figure BDA0001697891650000042
其中，σ2为所述无人机接收到的噪声功率；
根据可达信息速率rk(ρk(t),q(t),Qk(t))，计算无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量
Figure BDA0001697891650000043
根据指示参数ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure BDA0001697891650000044
其中，在所述在满足能量收集约束
Figure BDA0001697891650000045
且满足所述无人机的飞行速度不大于预设阈值Vmax的条件下，确定使
Figure BDA0001697891650000046
满足预设条件的q(t)，ρk(t)和Qk(t)，即确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)之后，包括：
在所述无人机根据q(t)飞行的过程中，获取当前飞行时刻t；
根据所述当前飞行时刻t，确定传输模式ρk(t)；
判断所述传输模式ρk(t)是否满足
Figure BDA0001697891650000047
且
Figure BDA0001697891650000048
若满足，则根据所述当前飞行时刻t，确定无线设备k在t的瞬时信息传输功率Qk(t)；
控制无线设备k按照所述瞬时信息传输功率Qk(t)向所述无人机传输信息。
其中，在所述判断所述传输模式ρk(t)是否满足
Figure BDA0001697891650000051
且
Figure BDA0001697891650000052
之后，还包括：
若不满足，则控制所述无人机按照预设能量传输功率向各个所述无线设备传输能量。
此外，本发明还提供了一种确定无线供能通信网络工作状态的装置，应用于如上所述的无线供能通信网络，包括：
无线设备坐标获取模块：用于将所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量记为K，并将各个所述无线设备分别记为无线设备1，无线设备2，…无线设备k，…无线设备K，其中
Figure BDA0001697891650000053
获取无线设备k的水平坐标wk；
无人机坐标获取模块：用于获取所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，其中，t∈[0,T]，T为所述无人机的飞行周期；
距离确定模块：用于根据wk和q(t)，确定所述无人机在t时刻与无线设备k之间的距离，并记为dk(q(t))；
信道功率增益确定模块：用于根据dk(q(t))，确定所述无人机与无线设备k之间的信道功率增益hk(q(t))；
指示参数设置模块：用于预先设置指示参数
Figure BDA0001697891650000054
并限定
Figure BDA0001697891650000055
当所述无人机向各个所述无线设备传输能量时，ρ0(t)＝1且
Figure BDA0001697891650000056
当无线设备k向所述无人机传输信息时，
Figure BDA0001697891650000057
且
Figure BDA0001697891650000058
计算模块：用于根据所述信道功率增益hk(q(t))和指示参数ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中接收到的总能量
Figure BDA0001697891650000059
无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量Rk({ρk(t),q(t),Qk(t)})，以及无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure BDA00016978916500000510
其中，Qk(t)为无线设备k的瞬时信息传输功率；
参数确定模块：用于在满足能量收集约束
Figure BDA0001697891650000061
且满足所述无人机的飞行速度不大于预设阈值Vmax的条件下，确定使
Figure BDA0001697891650000062
满足预设条件的q(t)，ρk(t)和Qk(t)，即确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)。
本发明提供的一种无线供能通信网络，通过使用无人机作为移动无线接入点进行无线充电和数据收集，根据各个无线设备的位置数据进行联合优化确定无人机的飞行路径、网络实时的工作模式以及无线设备的瞬时信息传输功率，相对于传统的固定位置基站的无线供能通信网络，有效提高下行链路的无线充电效率和上行链路的无线信息收集速率。在满足无人机的最大速度约束和无线设备的能量收集约束同时提高了上行链路的共同信息吞吐量，解决了双远近效应问题，一定程度上提高了供能和通信效率。
此外，本发明还提供了一种确定无线供能通信网络工作状态的方法和装置，其作用与上述无线供能通信网络的作用相对应，这里不再赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种无线供能通信网络实施例的结构图；
图2为本发明提供的一种无线供能通信网络实施例中无人机的功能框图；
图3为本发明提供的一种无线供能通信网络实施例中无线设备的功能框图；
图4为本发明提供的一种确定无线供能通信网络工作状态的方法实施例的实现流程图；
图5为本发明提供的仿真1中路径规划示意图；
图6为本发明提供的仿真2中不同飞行时长对应的上行链路的共有吞吐量的结果示意图；
图7为本发明提供的仿真3中不同无线设备的平均可达信息速率的示意图；
图8为本发明提供的一种确定无线供能通信网络工作状态的装置实施例的功能框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种无线供能通信网络，以及确定无线供能通信网络工作状态的方法和装置，有效提高了无线供能通信网络的供能和通信效率。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面对本发明提供的一种无线供能通信网络实施例进行介绍，该无线供能通信网络将无人机作为基站，该网络还包括多个无线低功耗通信设备，以下简称为无线设备。参见图1，无线供能通信网络由无人机101和一系列的无线设备102组成。图1中的实线表示下行链路，在下行链路中，无人机101通过无线能量传输技术对无线设备102进行无线充电；图1中的虚线表示上行链路，在上行链路中，无线设备102利用从下行链路中获取的能量发送信息给无人机101。
此外，该无线供能通信网络还包括控制器，所述控制器预先根据各个所述无线设备102的位置数据确定所述无人机101在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机101和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)，其中
Figure BDA0001697891650000081
K为所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量；
在所述无线供能通信网络的工作过程中，所述控制器控制所述无人机101按照q(t)飞行，并获取当前飞行时刻t，根据当前飞行时刻t确定传输模式ρk(t)，若所述传输模式ρk(t)满足
Figure BDA0001697891650000082
且
Figure BDA0001697891650000083
则根据所述当前飞行时刻t，确定无线设备k在t的瞬时信息传输功率Qk(t)，并控制无线设备k按照所述瞬时信息传输功率Qk(t)向所述无人机传输信息；若所述传输模式ρk(t)满足ρ0(t)＝1且
Figure BDA0001697891650000084
则控制所述无人机101按照预设能量传输功率向各个所述无线设备102传输能量。
本实施例利用无人机作为可移动的无线接入点，为地面上的无线低功耗通信设备提供可靠的能源，同时完成信息收集任务。与传统意义上的无线供能通信网络不同，无人机灵活的移动性和可操控性可以有效缩短无人机与地面无线低功耗通信设备之间的距离，减少无线电磁波的传播损耗，提高信道增益，提高上行链路的共同无线信息吞吐量。
本实施例主要由两大部分组成：第一部分为无人机101，具体可以为多旋翼无人机，第二部分为无线设备。
其中，如图2所示，无人机101的主要组成部分有：数据输入端201，中心控制模块202、轨迹控制模块203、通信控制模块204、能量传输控制模块205、工作模式控制模块206、信息接收控制模块207、无线能量传输端208、以及无线信息接收端209。
无人机101的主要工作步骤可以如下：
(11)将各个无线设备的具体位置数据作为输入，通过数据输入端201输入到中心控制模块202中，中心控制模块202可以根据无线设备102的位置数据进行信道估计，在一系列的优化运算后得到无人机101飞行路径规划的优化结果和下行链路无线能量发送的功率分配。在无人机101的飞行过程中，中心控制模块202对每一时刻的工作模式进行优化运算，从而让无人机101在飞到不同位置时能实时地选择当前时刻的最优的工作模式，即选择进行下行链路对无线低功耗通信设备充电或上行链路收集来自无线低功耗通信设备的信息。
(12)中心控制模块202输出的优化结果通过轨迹控制模块203、通信控制模块204、能量传输控制模块205以及工作模式控制模块206来实现轨迹优化、功率分配以及工作模式选择。
(13)最后无人机101通过无线能量传输端208发送能量或者通过无线信息接收端209收集信息。
相对应的，如图3所示，无线设备102的主要组成有：数据输入端301、中心控制模块302、通信控制模块303、能量接收控制模块304、信息传输控制模块305、工作模式控制模块306、无线能量接收端307、以及无线信息发送端308。
无线设备102的主要工作步骤如下：
(21)无人机101的最优飞行路径规划和无人机的实时位置作为输入，通过数据输入端301输入到中心控制模块302，中心控制模块302可以根据无人机101的当前位置进行信道估计，在一系列的优化运算后得到上行链路无线信息发送功率分配和工作模式的最优选择结果。无线设备102可以根据无人机101飞行过程中的实时位置进行选择当前时刻的最优工作模式，即选择进行下行链路的无线能量接收或上行链路的无线信息发送。
(22)中心控制模块302输出的优化结果通过通信控制模块303、能量接收模块304、信息传输控制模块305、以及工作模式控制模块306来实现功率分配以及工作模式选择。
(23)最后通过无线能量接收端307接收能量或者通过无线信息发送端308发送信息。
特别说明，无人机101中心控制模块202与无线设备102的中心控制模块302所使用的算法是相互配合的，即在双方实时的最优的工作模式选择是相互配合的。无人机101进行下行链路无线能量传输时，无线设备102处于下行链路无线能量接收状态；无线设备102进行上行链路无线信息发送时，无人机101处于上行链路无线信息收集状态。
本实施例所提供的无线供能通信网络，通过使用无人机作为移动无线接入点进行无线充电和数据收集，并通过联合优化无人机的飞行路径、网络实时的工作模式以及无线设备的瞬时信息传输功率，相对于传统的固定位置基站的无线供能通信网络，利用无人机的灵活性有效缩短了无人机与无线设备之间的距离，提高下行链路的无线充电效率和上行链路的无线信息收集速率。在满足无人机的最大速度约束和无线设备的能量收集约束同时提高了上行链路的共同信息吞吐量，也解决了“双远近效应”问题，一定程度上提高了供能和通信效率。
接下来对本发明提供的一种确定无线供能通信网络工作状态的方法实施例进行介绍，参见图4，该实施例包括：
步骤S401：将所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量记为K，并将各个所述无线设备分别记为无线设备1，无线设备2，…无线设备k，…无线设备K，其中
Figure BDA0001697891650000101
获取无线设备k的水平坐标wk。本实施例中将无人机作为基站，受益于科技的持续进步和生产成本的降低，无人机已运用到各行各业，如货物传输、航拍、搜索救援等。由于无人机具有灵活的移动性和可操控性，我们可以通过软件控制等方法自主规划无人机的飞行路径，根据需求来调整位置和高度。具体的，可以选用多旋翼无人机，多旋翼无人机可以稳定地悬停在一个固定位置进行工作。
本实施例中，假设每个无线设备的海拔高度都为0，坐标为(xk,yk,0)，具体的，水平坐标wk＝(xk,yk)。
步骤S102：获取所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，其中，t∈[0,T]，T为所述无人机的飞行周期。
为了简化问题，可以假设无人机飞行在一个固定高度，例如预设飞行高度H。此时，步骤S102具体为，确定所述无人机的预设飞行高度H，获取所述无人机在t时刻的瞬时位置在水平方向上的投影坐标q(t)。
具体的，空间坐标为q(t)＝(x(t),y(t))，飞行速度
Figure BDA0001697891650000102
其中，Vmax可以为无人机的最高飞行速度，
Figure BDA0001697891650000103
和
Figure BDA0001697891650000111
分别是x(t)和y(t)的一阶导数。
步骤S103：根据wk和q(t)，确定所述无人机在t时刻与无线设备k之间的距离，并记为dk(q(t))。
具体的，
Figure BDA0001697891650000112
步骤S104：根据dk(q(t))，确定所述无人机与无线设备k之间的信道功率增益hk(q(t))。
一般而言，可以将无人机到任一无线设备k之间的空地信道认定为视距信道，本实施根据自由空间衰落信道模型，计算信道功率增益，具体的，
Figure BDA0001697891650000113
步骤S105：预先设置指示参数
Figure BDA0001697891650000114
并限定
Figure BDA0001697891650000115
当所述无人机向各个所述无线设备传输能量时，ρ0(t)＝1且
Figure BDA0001697891650000116
当无线设备k向所述无人机传输信息时，
Figure BDA0001697891650000117
且
Figure BDA0001697891650000118
在本实施例中，可以采用时分复用协议，即无人机的下行链路的无线能量传输和各个无线设备的上行链路无线信息传输都在同一频带但不同时间上执行。即在任意时刻，无线供能通信网络的工作状态只存在两种情形：无人机通过下行链路向无线设备传输无线能量，所有无线设备接收能量；或者，一个无线设备通过上行链路向无人机发送信息，其他无线设备不做任何操作，无人机接收信息。因为我们使用时分复用传输协议，所以必须满足
Figure BDA0001697891650000119
步骤S106：根据所述信道功率增益hk(q(t))和指示参数ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中接收到的总能量
Figure BDA00016978916500001110
无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量Rk({ρk(t),q(t),Qk(t)})，以及无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure BDA00016978916500001111
其中，Qk(t)为无线设备k的瞬时信息传输功率。
也就是说，对于任意时间
Figure BDA00016978916500001112
分别为以下两种情形：
当ρ0(t)＝1且
Figure BDA0001697891650000121
此时，无人机向无线设备传输能量，假设无人机在下行链路无线能量传输模式中使用一个不变的常量发射功率P。因此，可以计算每个地面
Figure BDA0001697891650000122
可以收获到的能量为
Figure BDA0001697891650000123
其中，0＜η≤1定义每个无线设备的采集到射频转换成直流电的能量转换效率。因此，无线设备k在整个时间T中能收获到的总能量为
Figure BDA0001697891650000124
当
Figure BDA0001697891650000125
和
Figure BDA0001697891650000126
时，假设Qk(t)为无线设备k对无人机进行上行链路无线信息传输的瞬时发射功率。因此，在任意时间
Figure BDA0001697891650000127
上无线设备k到无人机的可达信息速率为
Figure BDA0001697891650000128
其中，σ2为无人机的信息接收器接收到的噪声功率，
Figure BDA0001697891650000129
是参考距离上的信噪比。
因此，无线设备k在整个时间周期上的平均可达速率或者是吞吐量可以表示为
Figure BDA00016978916500001210
为了说明本发明的目的，在本实施例中可以认为每个无线设备的能量损耗主要是用于上行链路无线信息传输。这样的话，无线设备k的总能量损耗为
Figure BDA00016978916500001211
步骤S107：在满足能量收集约束
Figure BDA00016978916500001212
且满足所述无人机的飞行速度不大于预设阈值Vmax的条件下，确定使
Figure BDA00016978916500001213
满足预设条件的q(t)，ρk(t)和Qk(t)，即确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)。
为了让整个网络能达到一个自我维持的工作状态，每个无线设备必须满足一个能量收集约束，即在整个时间周期上无线设备的能量损耗不能大于它从下行链路无线能量传输中收获到的能量。由此，我们的能量收集约束可以表示为
Figure BDA0001697891650000131
本实施例中，我们的目的是最大化所有无线设备上行链路的共有吞吐量，即无线设备中最小的吞吐量
Figure BDA0001697891650000132
而受到无人机最大速度的约束和无线设备的能量收集约束，那么决定性参数包括无人机的路径{q(t)}，传输模式{ρk(t)}以及上行链路瞬时信息传输功率{Qk(t)}。也就是说，根据上述三个约束条件求得每一时刻对应的{q(t)}、{ρk(t)}、{Qk(t)}来工作，会实现最大化无线设备的共有信息吞吐量的目的。具体的工作过程可以如下：
步骤S1001：在所述无人机根据q(t)飞行的过程中，获取当前飞行时刻t；
步骤S1002：根据所述当前飞行时刻t，确定传输模式ρk(t)；
步骤S1003：判断所述传输模式ρk(t)是否满足
Figure BDA0001697891650000133
且
Figure BDA0001697891650000134
步骤S1004：若满足，则根据所述当前飞行时刻t，确定无线设备在t的瞬时信息传输功率Qk(t)，并控制无线设备k按照所述瞬时信息传输功率Qk(t)向所述无人机传输信息。
步骤S1005：若不满足，则控制所述无人机按照预设能量传输功率向各个所述无线设备传输能量。
对于步骤S107的具体的求解过程，下面进行详细描述，需要说明的是，以下求解过程只是本实施例采取的一种方式，本发明对于求解的过程不做具体限定：
基于以上推导过程，我们的最终问题可以总结为：
Figure BDA0001697891650000141
Figure BDA0001697891650000142
Figure BDA0001697891650000143
Figure BDA0001697891650000144
Figure BDA0001697891650000145
Figure BDA0001697891650000146
观察优化问题(P1)，目标函数不是一个凹函数，约束(9)和(11)不是凸的，因为复杂的速率函数和能量函数中，变量q(t)，ρk(t)和Qk(t)都耦合在一起，还有关于ρk(t)的约束是个二进制约束问题。所以(P1)不是一个凸优化问题。此外，(P1)在连续时间上包含无数多个优化变量。由于以上原因，(P1)很难得到最优解。接下来接收求解过程，希望等以求解。
具体优化过程如下：由于(P1)难以得到最优解，本实施例采用拉格朗日对偶算法和销售员旅行问题算法有效得到次优解。首先，我们先考虑一种理想化的情况，忽略无人机的最大速度约束(13)，然后求解以下松弛问题
Figure BDA0001697891650000147
s.t.(9),(10),(11)and (12)
注意到(P2)在实际中也是可行的，当无人机的飞行时间周期T足够长，那么对于任意给定Vmax的来说，无人机的飞行时间对于悬停时间来说变得可以忽略不计。
为了求解以上问题(P2)，我们首先引入一个辅助变量R，该辅助变量的值可以自由设定，然后问题(P2)可以重新表示为
Figure BDA0001697891650000151
尽管如此，问题(P2.1)仍然不是一个凸优化问题，但是容易得知这满足所谓的分时条件。所以问题(P2.1)和它的拉格朗日对偶问题之间的强对偶性成立。所以，我们可以使用拉格朗日对偶方法求得(P2.1)的最优解。
我们令λk≥0和μk≥0，
Figure BDA0001697891650000152
分别定义为(14)和(9)中第k个约束的对偶变量。为了表示方便，我们定义λ＝[λ1,λ2,…,λK]和μ＝[μ1,μ2,…,μK]。局部拉格朗日函数可以表示为
Figure BDA0001697891650000153
则(P2.1)的对偶函数为
Figure BDA0001697891650000154
s.t.(9),(10),(11)and(12) (16)
为了使得以上对偶函数是有界的(即g(λ,μ)＜∞)，则必须满足
Figure BDA0001697891650000155
因此，问题(P2.1)的对偶问题为
Figure BDA0001697891650000161
Figure BDA0001697891650000162
Figure BDA0001697891650000163
λ和μ的可行集合定义为
Figure BDA0001697891650000164
因为(P2.1)和(D2.1)之间的强对偶性成立，所以我们求得(D2.1)的解即是(P2.1)的解。首先，我们在任意给定
Figure BDA0001697891650000165
的情况下，先求解问题(16)以得到g(λ,μ)，然后找到最优的λ和μ来最小化g(λ,μ)。
首先，在任意给定
Figure BDA0001697891650000166
的情况下，问题(16)中的变量{ρk}总共有K+1种选择。我们分别计算出这K+1模式下的最优值，其中使用了2D穷举搜索的方法来找到对应模式下无人机最优的悬停位置(可能不唯一)。比较这K+1个最优值，得到问题(16)的最优解。
无人机工作在下行链路无线能量传输模式，最优解为
Figure BDA0001697891650000167
其中q*不是唯一的当Ω(μ)＞1时。
无人机工作在与无线设备k*之间的上行链路无线信息收集模式中，解为
Figure BDA0001697891650000168
接下来，我们搜索(λ,μ)来最小化g(λ,μ)以求解(D2.1)。因为对偶问题(D2.1)是凸问题但不可微分，我们可以使用梯度下降法例如椭球法来求得到最优解λopt和μopt。代入最优解λopt和μopt到(17)和(18)中，得知问题(16)总共有
Figure BDA0001697891650000169
个不唯一的最优解。其中
Figure BDA00016978916500001610
个在(17)中给出，另外K个在(18)中给出，每一个对应于一个无线设备k。这样的话，我们需要在这些不唯一的最优解中做时间分配来构造原始问题(P2.1)的最优解。
其中，我们分别定义τω和
Figure BDA0001697891650000171
为无人机在位置
Figure BDA0001697891650000172
和wk,k∈{1,...,K}上的悬停时长。则我们可以求解以下问题得到最优的悬停时长
Figure BDA0001697891650000173
Figure BDA0001697891650000174
Figure BDA0001697891650000175
Figure BDA0001697891650000176
注意到(P2.2)是一个线性优化问题，可以用标准的凸优化技术求得最优解。
我们基于以上优化过程得出的最优解，构建一个连续悬停和飞行路径规划，以求得(P1)的解。
我们提出的连续悬停和飞行路径规划是让无人机有顺序地遍历从问题(P2)中求得的
Figure BDA0001697891650000177
个最优悬停位置。假设我们增加一个虚拟的最优悬停位置，并且假设这个虚拟悬停位置与其他
Figure BDA0001697891650000178
个中任意一个最优悬停位置之间的距离为0。则这个飞行路径最小化问题就变成了著名的销售员旅行问题。TSP要求销售员，也就是本文中的无人机，最后要回到出发点，而本文中的无人机可以自由选择起始点和终点。所以，在这些
Figure BDA0001697891650000179
悬停位置中运行TSP算法后得到的最短遍历顺序中，去掉首尾两个边缘点(也就是我们假设的虚拟悬停点)，便可以得到无人机的最短飞行路径，即最短遍历顺序。我们定义Tfly为无人机遍历最佳悬停位置所需的最短时间。
我们把无人机的飞行时间分为两个部分，第一部分是悬停部分。我们定义τω为无人机在最佳无线能量传输悬停位置ω的悬停时长，这段时间内无人机进行下行链路的无线能量传输，定义
Figure BDA00016978916500001710
为无人机在最佳无线信息传输悬停位置k的悬停时长，这段时间内无线设备k使用功率
Figure BDA0001697891650000181
进行上行链路的无线信息传输。则设备的上行链路吞吐量和接收到的能量分别表示为
Figure BDA0001697891650000182
Figure BDA0001697891650000183
第二部分是无人机飞行部分，即时长Tfly。我们把这部分时间分解为个N时隙，每个时隙的时长为δ＝Tfly/N，并假设在每个时隙
Figure BDA0001697891650000184
中，无人机的位置不发生改变并定义为
Figure BDA0001697891650000185
接下来，我们假设在一个时隙中可以存在多种工作模式，在每个时隙n中，无人机使用固定发射功率P对无线设备进行下行链路无线能量传输，时长为
Figure BDA0001697891650000186
而每个无线设备使用发射功率
Figure BDA0001697891650000187
对无人机进行上行链路无线信息传输，时长为
Figure BDA0001697891650000188
则以上工作模式时长必须满足约束
Figure BDA0001697891650000189
那么，这段时间内设备的上行链路吞吐量和接收到的能量可以表示为
Figure BDA00016978916500001810
Figure BDA00016978916500001811
基于以上的(23)，(24)，(25)和(26)，上行链路共同吞吐量优化问题表示为以下形式，其中优化变量包括
Figure BDA00016978916500001812
(P3):maxR
Figure BDA00016978916500001813
Figure BDA0001697891650000191
Figure BDA0001697891650000192
Figure BDA0001697891650000193
Figure BDA0001697891650000194
Figure BDA0001697891650000195
Figure BDA0001697891650000196
注意到尽管问题(P3)不是一个凸优化问题，以为优化变量耦合在了一起，可是只要通过变量代换，例如
Figure BDA0001697891650000197
即可把以上问题转化为凸优化问题，并且用标准的凸优化方法求解。至此，问题(P1)求解完成。
本实施例还提供了仿真实验，接下来对仿真过程进行详细介绍：
在仿真中，我们考虑网络中有一个无人机以及9个无线设备，其中这9个无线设备随机分布在20x20米的水平地面上。有如图1.所示。无人机飞行在固定高度H＝5m上。我们假设信息接收端的噪声功率为σ2＝-80dBm。在参考距离为d0＝1m时的信道增益为β0＝-30dB。无线能量转换效率设为η＝50％。假设无人机的最大速度为Vmax＝10m/s。无人机的发射功率为P＝40dBm。
仿真1的仿真的仿真结果请参见图5，仿真1展示了通过求解问题(P2)所得的最优悬停位置以及连续悬停和飞行路径规划。可以观察得知，该网络中有
Figure BDA0001697891650000198
个最优无线能量传输悬停位置，则总共有
Figure BDA0001697891650000199
个最优悬停位置由求解问题(P2)所得。
仿真2的仿真结果参见图6，仿真2展示了在不同的飞行时间T下的K个无线设备中的上行链路的共有(最小)吞吐量。其中固定悬停的对比试验是指通过优化找到无人机的一个最佳的固定悬停位置保持不变，而完成下行链路的无线能量传输以及上行链路的无线信息传输。可以观察得知，我们提出的连续悬停和飞行路径规划(同时优化上行链路传输功率以及网络传输模式)对比与固定悬停可以达到更好的性能，而且当飞行时间变大时，性能增益越发明显。此外，当飞行时间足够大时，可以观察到连续悬停和飞行路径规划可以达到一个与忽略了无人机最大速度约束的(P2)的最优解相似的性能。
参见图7，图7为仿真3的仿真结果，仿真3展示了当无人机的飞行时间为T＝12s时，不同无线设备对应的平均可达信息速率。可以观察得知，每一个无线设备的平均可达信息速率是一样的。
综上所述，本发明提出的基于无人机的无线充电和数据收集的方法和装置对比于传统的固定位置基站的无线供能通信网络(即使基站放置在最优位置)能达到更高的性能，并能够很好的解决“双远近效应”问题。
可见，本实施例提供的一种确定无线供能通信网络工作状态的方法，能够计算任意无线设备在整个飞行周期中的信息吞吐量、接收到的总能量、以及消耗的能量，并对上述参数进行联合优化，最终确定能够保证信息吞吐量满足预设要求的工作状态参数：任意时刻的无人机坐标、无线设备的瞬时信息传输功率、和网络的工作模式。可见，根据该方法确定工作状态的无线供能通信网络，无人机坐标、工作模式和瞬时信息传输功率会随时间变化，且通过限制信息吞吐量满足预设要求，可以在一定程度上提高该工作状态下的无线供能通信网络的无线供能通信效率。
下面对本发明实施例提供的一种确定无线供能通信网络工作状态的装置实施例进行介绍，下文描述的确定无线供能通信网络工作状态的装置与上文描述的确定无线供能通信网络工作状态的方法可相互对应参照。参见图8，该实施例具体包括：
无线设备坐标获取模块801：用于将所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量记为K，并将各个所述无线设备分别记为无线设备1，无线设备2，…无线设备k，…无线设备K，其中
Figure BDA0001697891650000211
获取无线设备k的水平坐标wk。
无人机坐标获取模块802：用于获取所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，其中，t∈[0,T]，T为所述无人机的飞行周期。
距离确定模块803：用于根据wk和q(t)，确定所述无人机在t时刻与无线设备k之间的距离，并记为dk(q(t))。
信道功率增益确定模块804：用于根据dk(q(t))，确定所述无人机与无线设备k之间的信道功率增益hk(q(t))。
指示参数设置模块805：用于预先设置指示参数
Figure BDA0001697891650000212
并限定
Figure BDA0001697891650000213
当所述无人机向各个所述无线设备传输能量时，ρ0(t)＝1且
Figure BDA0001697891650000214
当无线设备k向所述无人机传输信息时，
Figure BDA0001697891650000215
且
Figure BDA0001697891650000216
计算模块806：用于根据所述信道功率增益hk(q(t))和指示参数ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中接收到的总能量
Figure BDA0001697891650000217
无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量Rk({ρk(t),q(t),Qk(t)})，以及无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure BDA0001697891650000218
其中，Qk(t)为无线设备k的瞬时信息传输功率。
参数确定模块807：用于在满足能量收集约束
Figure BDA0001697891650000219
且满足所述无人机的飞行速度不大于预设阈值Vmax的条件下，确定使
Figure BDA00016978916500002110
满足预设条件的q(t)，ρk(t)和Qk(t)，即确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)。
本实施例的确定无线供能通信网络工作状态的装置，主要用于实现前述的确定无线供能通信网络工作状态的方法，因此该装置中的具体实施方式可见前文中的确定无线供能通信网络工作状态的方法实施例部分，例如，无线设备坐标获取模块801、无人机坐标获取模块802、距离确定模块803、信道功率增益模块804、指示参数设置模块805、计算模块806、参数确定模块807，分别用于实现上述确定无线供能通信网络工作状态的方法中步骤S401，S402，S403，S404，S405，S406，S407。所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
另外，由于本实施例的确定无线供能通信网络工作状态的装置，主要用于实现前述的确定无线供能通信网络工作状态的方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的一种无线供能通信网络及确定其工作状态的方法、装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无线供能通信网络，包括基站，多个无线设备，以及控制器，其特征在于，所述基站为无人机；
所述控制器预先根据各个所述无线设备的位置数据确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)，其中
Figure FDA0002421322530000011
K为所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量；
在所述无线供能通信网络的工作过程中，所述控制器控制所述无人机按照q(t)飞行，并获取当前飞行时刻t，根据当前飞行时刻t确定传输模式ρk(t)，若所述传输模式ρk(t)满足
Figure FDA0002421322530000012
且
Figure FDA0002421322530000013
则根据所述当前飞行时刻t，确定无线设备k在t的瞬时信息传输功率Qk(t)，并控制无线设备k按照所述瞬时信息传输功率Qk(t)向所述无人机传输信息；若所述传输模式ρk(t)满足ρ0(t)＝1且
Figure FDA0002421322530000014
则控制所述无人机按照预设能量传输功率向各个所述无线设备传输能量。
2.一种确定无线供能通信网络工作状态的方法，应用于如权利要求1所述的无线供能通信网络，其特征在于，包括：
将所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量记为K，并将各个所述无线设备分别记为无线设备1，无线设备2，…无线设备k，…无线设备K，其中
Figure FDA0002421322530000015
获取无线设备k的水平坐标wk；
获取所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，其中，t∈[0,T]，T为所述无人机的飞行周期；
根据wk和q(t)，确定所述无人机在t时刻与无线设备k之间的距离，并记为dk(q(t))；
根据dk(q(t))，确定所述无人机与无线设备k之间的信道功率增益hk(q(t))；
预先设置传输模式
Figure FDA0002421322530000016
并限定
Figure FDA0002421322530000017
当所述无人机向各个所述无线设备传输能量时，ρ0(t)＝1且
Figure FDA0002421322530000018
当无线设备k向所述无人机传输信息时，
Figure FDA0002421322530000019
且
Figure FDA00024213225300000110
根据所述信道功率增益hk(q(t))和传输模式ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中接收到的总能量
Figure FDA00024213225300000111
无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量Rk({ρk(t),q(t),Qk(t)})，以及无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure FDA0002421322530000021
其中，Qk(t)为无线设备k的瞬时信息传输功率；
在满足能量收集约束
Figure FDA0002421322530000022
且满足所述无人机的飞行速度不大于预设阈值Vmax的条件下，确定使
Figure FDA0002421322530000023
满足预设条件的q(t)，ρk(t)和Qk(t)，即确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，包括：
确定所述无人机的预设飞行高度H，获取所述无人机在t时刻的瞬时位置在水平方向上的投影坐标q(t)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述信道功率增益hk(q(t))和传输模式ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中接收到的总能量
Figure FDA0002421322530000024
无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量Rk({ρk(t),q(t),Qk(t)})，以及无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure FDA0002421322530000025
包括：
假设无人机在下行链路无线能量传输模式中使用一个不变的能量传输功率，根据所述信道功率增益hk(q(t))和传输模式ρk(t)，计算无线设备k在t时刻接收到的能量Ek(ρ0(t),q(t))＝ηPρ0(t)hk(q(t))，其中，0＜η≤1，η为无线设备k的能量转换效率，P为所述无人机的能量传输功率；
根据Ek(ρ0(t),q(t))，计算无线设备k在整个飞行周期T中能收获到的总能量
Figure FDA0002421322530000026
根据所述信道功率增益hk(q(t))和传输模式ρk(t)，计算无线设备k在t时刻的可达信息速率
Figure FDA0002421322530000027
其中，σ2为所述无人机接收到的噪声功率；
根据可达信息速率rk(ρk(t),q(t),Qk(t))，计算无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量
Figure FDA0002421322530000028
认为每个无线设备的能量损耗主要是用于上行链路无线信息传输，根据传输模式ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure FDA0002421322530000031
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述在满足能量收集约束
Figure FDA0002421322530000032
且满足所述无人机的飞行速度不大于预设阈值Vmax的条件下，确定使
Figure FDA0002421322530000038
满足预设条件的q(t)，ρk(t)和Qk(t)，即确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)之后，包括：
在所述无人机根据q(t)飞行的过程中，获取当前飞行时刻t；
根据所述当前飞行时刻t，确定传输模式ρk(t)；
判断所述传输模式ρk(t)是否满足
Figure FDA0002421322530000033
且
Figure FDA0002421322530000034
若满足，则根据所述当前飞行时刻t，确定无线设备k在t的瞬时信息传输功率Qk(t)；
控制无线设备k按照所述瞬时信息传输功率Qk(t)向所述无人机传输信息。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述判断所述传输模式ρk(t)是否满足
Figure FDA0002421322530000035
且
Figure FDA0002421322530000036
之后，还包括：
若不满足，则控制所述无人机按照预设能量传输功率向各个所述无线设备传输能量。
7.一种确定无线供能通信网络工作状态的装置，应用于如权利要求1所述的无线供能通信网络，其特征在于，包括：
无线设备坐标获取模块：用于将所述无线供能通信网络中所述无线设备的数量记为K，并将各个所述无线设备分别记为无线设备1，无线设备2，…无线设备k，…无线设备K，其中
Figure FDA0002421322530000037
获取无线设备k的水平坐标wk；
无人机坐标获取模块：用于获取所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，其中，t∈[0,T]，T为所述无人机的飞行周期；
距离确定模块：用于根据wk和q(t)，确定所述无人机在t时刻与无线设备k之间的距离，并记为dk(q(t))；
信道功率增益确定模块：用于根据dk(q(t))，确定所述无人机与无线设备k之间的信道功率增益hk(q(t))；
传输模式设置模块：用于预先设置传输模式
Figure FDA0002421322530000041
并限定
Figure FDA0002421322530000042
当所述无人机向各个所述无线设备传输能量时，ρ0(t)＝1且
Figure FDA0002421322530000043
当无线设备k向所述无人机传输信息时，
Figure FDA0002421322530000044
且
Figure FDA0002421322530000045
计算模块：用于根据所述信道功率增益hk(q(t))和传输模式ρk(t)，计算无线设备k在整个飞行周期T中接收到的总能量
Figure FDA0002421322530000046
无线设备k在整个飞行周期T中的信息吞吐量Rk({ρk(t),q(t),Qk(t)})，以及无线设备k在整个飞行周期T中消耗的能量
Figure FDA0002421322530000047
其中，Qk(t)为无线设备k的瞬时信息传输功率；
参数确定模块：用于在满足能量收集约束
Figure FDA0002421322530000048
且满足所述无人机的飞行速度不大于预设阈值Vmax的条件下，确定使
Figure FDA0002421322530000049
满足预设条件的q(t)，ρk(t)和Qk(t)，即确定所述无人机在t时刻的空间坐标q(t)，所述无人机和所述无线设备k在t时刻的传输模式ρk(t)，以及无线设备k在t时刻向所述无人机的瞬时信息传输功率Qk(t)。
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