CN108966129A - 基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，利用无人机作为中继节点，在给定地面源节点和目的节点的传输距离的条件下，考虑以无人机中继通信的两条通信链路损耗为优化目标，计算出无人机的最佳高度与水平位置，以最小化无人机中继通信损耗。本发明通过对无人机中继的高度与水平位置进行联合优化，最大程度减小通信过程中产生的损耗，从而保证应急通信的可靠性，达到最佳传输效果，有效地提高了用户的通信质量。本发明适用于应急通信场景下，地面节点之间的数据传输。

Description

基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体是一种基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法。

背景技术

目前，无线通信网络领域的大部分研究工作，主要集中在陆地移动通信系统上，但面临森林巡防，临时战场等通信场景，传统的蜂窝无线网络在一定程度上受到限制，不能很好的解决交通受阻、电力中断、通信传输线路大面积瘫痪等不利情况。此时，建立一种快速灵活的无线通信组网保证通信传输显得尤为重要。

申请号为201610738663.2的专利公开了一种基于无人机平台中继通信系统及方法；该系统包括：地面通信终端和无人机载中继通信平台，所述无人机载通信平台设置在无人机上，用于转发地面不同通信终端之间的数据传输；所述无人机载中继通信平台至所述地面通信终端为单点对多点通信方式，该系统将通信有效覆盖面积大幅度提高，同时使在复杂地形中进行应急通信变得更有效率和便捷，实现无线链路在非视距的情况下仍然能够正常通信；然而该专利没有对无人机载中继通信平台的中继高度和位置进行优化，导致整个通信网络的损耗过大，不能保证最佳的通信效果，可靠性较低；仍需进一步改进。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，通过优化通信链路，找到无人机所处的最佳高度与位置，进行联合优化，使通信传输过程中的损耗最低，达到最佳传输效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，以无人机作为中继节点构成中继网络，在用户与基站距离确定的条件下，分别在各通信时隙中，考虑以无人机中继通信的两条通信链路损耗为优化目标，计算出无人机的最佳高度与水平位置，以最小化无人机中继通信损耗，以确定无人机的最佳中继高度和最佳水平位置，使用户沿着最佳路线与基站通信，从而保证了应急通信的可靠性，以最大程度减小通信过程中的损耗；具体步骤如下：

步骤A，基于待接入无人机中继网络中的用户，获得该用户所分配信道的状态信息；

步骤B，基于所述状态信息，计算用户接入无人机中继网络通信过程中产生的总损耗；

步骤C，对所述中继网络中无人机的最佳中继高度与最佳水平位置进行搜索计算，找到使得两条链路通信时产生损耗最小的位置放置无人机进行数据传输。

作为本发明的一种优选技术方案，所述信道的状态信息为无人机中继网络中用户所分配的通信链路的信道属性，所述信道属性包括视距传输损耗，非视距传输损耗及其分别对应的概率。

具体地，获得所述状态信息的方法为：

分别针对用户到无人机中继节点，以及无人机中继节点到基站两条通信链路，由如下公式得到所述信道的状态信息：

P_NLOS＝1-P_LOS

其中，PL_LOS、PL_NLOS分别表示视距传输损耗和非视距传输损耗，P_LOS和P_NLOS分别表示视距传播和非视距传播的概率；c为光速，f为载波频率，d为每条链路对应传输距离，η_LOS和η_NLOS分别表示视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，α和β是与环境有关的常数，θ表示无人机相对地面节点产生的俯仰角。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B中，获得用户接入无人机中继网络通信过程中产生的总损耗的方法为：基于所述状态信息，分别计算通信过程中每条链路上各自产生的视距传播损耗和非视距传播损耗；获得所述用户在每条链路通信传输过程中产生的损耗，进而获得用户接入无人机中继网络通信过程中所产生的总损耗。

具体地，所述用户接入无人机中继网络通信过程中所产生的总损耗根据如下公式得到：

PL＝PL_LOSP_LOS+PL_NLOSP_NLOS

其中，

其中，PL表示由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，分别对各条通信链路，以概率P_LOS取到PL_LOS，以概率P_NLOS取到PL_NLOS，求得各通信链路所对应的视距传输损耗与非视距传输损耗，获得用户到无人机中继节点传输过程中的总损耗PL₁，以及无人机中继节点到基站传输过程中的总损耗PL₂；r₁是用户到无人机的水平距离，r₂是无人机到基站的水平距离，(α₁，β₁)是用户节点的环境参数；(α₂，β₂)是基站节点的环境参数；为用户与无人机通信过程中的视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，为无人机与基站通信过程中的视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，所述额外传播损耗的值与环境参数有关；θ₁与θ₂分别为无人机相对用户和基站两节点产生的俯仰角。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C中，对所述中继网络中无人机的最佳中继高度与最佳水平位置进行搜索计算，找到使得两条链路通信时产生损耗最小的位置进行数据传输，所述损耗最小的位置根据如下公式得到：

对链路损耗PL进行单位换算：

PL_(dB)＝10logPL'

PL'＝10^(PL/10)

优化问题为：

min PL_总＝PL′₁+PL′₂

s.t.r₁+r₂＝L

将约束条件代入优化问题，并对变量h和r₁求偏导，令偏导等于零，得到如下方程组：

所述方程组的解(h,r₁)即为在所述无人机中继网络通信过程中损耗最小的位置，选择该位置作为无人机的放置点，与用户和基站进行数据传输；其中，PL'为经过单位换算后的链路损耗；L为用户到基站的水平距离；r₁为用户到无人机的水平距离，h为无人机离地面的高度；min表示最小化，s.t.表示约束条件，PL_总表示无人机中继网络的总损耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明在用户通信终端与基站的距离确定的情况下，通过对无人机中继网络的通信链路进行优化，获得无人机所处的最佳的高度与位置，在应急场景下确保了最佳的通信效果，从而保证了应急通信的可靠性；(2)本发明通过采用无人机作为应急场景下的通信节点，体积小、移动性强，不易受周围环境的限制；且成本低廉、可靠性高。

附图说明

图1为本发明基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法的架构示意图；

图2为本发明基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法的流程示意图；

图3为实施例2中无人机中继网络的总损耗PL_总与用户到无人机的水平距离r₁的关系示意图；

图4为实施例2中无人机中继网络的总损耗PL_总与地面到无人机的高度h的关系示意图；

图5为实施例2中无人机中继网络的总损耗PL_总与高度h及水平距离r₁的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

无人机中继通信网络利用无人机作为空中平台，并通过其搭载的通信中继设备，在空中转发地面通信设备之间的数据信息。借助于无人机空中平台的中继作用，实现越障可靠通信。相对于传统地面通信网络，无人机中继通信，可以快速建立相应的通信链路，并且不受灾区地形的影响。

实施例1

如图1、2所示，本实施例提供了一种基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，以无人机作为中继节点构成中继网络，分别在各个通信时隙中，对从用户S到无人机U以及无人机U到基站R两条通信链路进行优化，选择最佳通信路线，经无人机中继节点与基站进行通信；从而保证了应急通信的可靠性，以最大程度减小通信过程中的损耗；具体步骤如下：

步骤A，基于待接入无人机中继网络中的用户，获得该用户所分配信道的状态信息；

具体地，获得所述信道状态信息的方法为：

分别针对用户S到无人机中继节点U，以及无人机中继节点U到基站R两条通信链路来获取所述信道状态信息，由如下公式得到所述状态信息：

P_NLOS＝1-P_LOS

其中，PL_LOS、PL_NLOS分别表示视距传输损耗和非视距传输损耗，P_LOS和P_NLOS分别表示视距传播和非视距传播的概率；c为光速，f为载波频率，d为每条链路对应传输距离，η_LOS和η_NLOS分别表示视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，α和β是与环境有关的常数，θ表示无人机相对地面节点产生的俯仰角。

为计算出每条通信链路传输过程中的损耗，首先应当计算每条链路中的视距传输分量与非视距传输分量，进而获得在整个系统中总的传输损耗，因此执行如下步骤B；

步骤B，基于待接入无人机中继网络中的用户所获分配信道的状态信息，分别计算其每条链路上产生的视距传播损耗和非视距传播损耗，按两条通信链路，获得该用户在每条链路通信传输过程中产生的损耗，进而获得用户接入无人机中继网络通信过程中所产生的总损耗；

具体地，所述用户接入无人机中继网络通信过程中所产生的总损耗根据如下公式得到：

PL＝PL_LOSP_LOS+PL_NLOSP_NLOS

其中，

其中，PL表示由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，分别对各条通信链路，以概率P_LOS取到PL_LOS，以概率P_NLOS取到PL_NLOS，求得各通信链路所对应的视距传输损耗与非视距传输损耗，获得用户S到无人机U传输过程中的总损耗PL₁，以及无人机U到基站R传输过程中的总损耗PL₂；r₁是用户S到无人机U的水平距离，r₂是无人机U到基站R的水平距离，(α₁，β₁)是用户节点的环境参数；(α₂，β₂)是基站节点的环境参数；为用户S与无人机U通信过程中的视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，为无人机U与基站R通信过程中的视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，所述额外传播损耗的值与环境参数有关；θ₁与θ₂分别为无人机相对用户和基站两节点产生的俯仰角。

步骤C，对所述中继网络中无人机的最佳中继高度与最佳水平位置进行搜索计算，找到使得两条链路通信时产生损耗最小的位置放置无人机进行数据传输。

具体地，所述损耗最小的位置根据如下公式得到：

对链路损耗PL进行单位换算：

PL_(dB)＝10log PL'

PL'＝10^(PL/10)

优化问题为：

min PL_总＝PL'₁+PL'₂

s.t.r₁+r₂＝L

根据海塞矩阵可知该函数为一个凸函数；

将约束条件代入优化问题，并对变量h和r₁求偏导，令偏导等于零，得到：

对上述方程组进行化简，得到：

其中，

令可得：

即当(A₂,a₂,b₂)＝(A₁,a₁,b₁)时，最佳位置为地面两节点中点位置。

该方程组的解(h,r₁)即为在所述无人机中继网络通信过程中损耗最小的位置，选择该位置作为无人机的放置点，与用户和基站进行数据传输；其中，PL'为经过单位换算后的链路损耗；L为用户S到基站R的水平距离；r₁为用户S到无人机U的水平距离，h为无人机离地面的高度；min表示最小化，s.t.表示约束条件；PL_总表示无人机中继网络的总损耗。

实施例2

如图3至5所示，本实施例提供了一种利用MATLAB语言来仿真基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法。

在具体实施过程中，假设用户节点S的环境优于基站节点R的环境，令取值为(0.1,21)，单位为dB,取值为(1.6,23)，单位为dB，(α₁，β₁)取值为(5.0188，0.3511)，(α₂，β₂)取值为(11.95，0.136)。假设基站R与用户S之间的水平距离为L＝1000m，其中c为光速，取值为3×10⁸m/s，f为载波频率，取值为2×10⁹Hz。

图3为该无人机中继网络中总损耗PL_总与用户到无人机的水平距离r₁的关系示意图；在给定无人机高度h＝500m，地面两节点水平距离为L1＝1000m，L2＝1500m，L3＝2000m时，存在一个损耗最低点，且在本实施例中，我们假设用户节点S的环境要优于基站节点R的环境，即由于环境因素，基站节点处的非视距传播损耗更为严重，则最优位置会处于两节点中心偏向基站来增大基站节点处视距传播的概率以减小该条链路的总传播损耗。

图4为无人机中继网络中总损耗PL_总和无人机的高度h的关系示意图；在给定水平距离r₁＝500m，地面两节点水平距离为L1＝1000m，L2＝1500m，L3＝2000m时，当无人机飞行高度过低，由于衍射，阴影效应等造成较高的非视距传输概率，使传输过程中的损耗增大；当高度过高时，视距传输概率虽然很高，但远距离的传输造成很高的路径损耗，从而使得传输损耗增加；即存在一个最佳高度使损耗最小。

图5为无人机中继网络中总损耗PL_总与无人机高度h及水平距离r₁的三维关系示意图，从图中可以看出，存在一个极值点使得该无人机中继网络的损耗最小，该点即为无人机所在的最佳位置。

将本实施例的参数代入实施例1的方程组中，当L＝1000m时，可以得出无人机的最佳高度与水平位置为(h_opt,r_opt)＝(308,755)m，最小损耗为98.5061dB。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，其特征在于，以无人机作为中继节点构成中继网络，分别在各通信时隙中，对从用户到无人机以及无人机到基站两条通信链路进行优化，以确定无人机的最佳中继高度和最佳水平位置；具体步骤如下：

步骤A，基于待接入无人机中继网络中的用户，获得该用户所分配信道的状态信息；

步骤B，基于所述状态信息，计算用户接入无人机中继网络通信过程中产生的总损耗；

步骤C，对所述中继网络中无人机的最佳中继高度与最佳水平位置进行搜索计算，找到使得两条链路通信时产生损耗最小的位置放置无人机进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，其特征在于，所述步骤A中，所述信道的状态信息为无人机中继网络中用户所分配的通信链路的信道属性，所述信道属性包括视距传输损耗，非视距传输损耗及其分别对应的概率。

3.根据权利要求1或2所述的基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，其特征在于，获得所述信道的状态信息的方法为：

分别针对用户到无人机中继节点，以及无人机中继节点到基站两条通信链路，由下述公式得到所述信道的状态信息：

P_NLOS＝1-P_LOS

其中，PL_LOS、PL_NLOS分别表示视距传输损耗和非视距传输损耗，P_LOS和P_NLOS分别表示视距传播和非视距传播的概率；c为光速，f为载波频率，d为每条链路对应传输距离，η_LOS和η_NLOS分别表示视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，α和β是与环境有关的常数，θ表示无人机相对地面节点产生的俯仰角。

4.根据权利要求1所述的基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，其特征在于，所述步骤B中，获得用户接入无人机中继网络通信过程中产生的总损耗的方法为：基于所述状态信息，分别计算通信过程中每条链路上各自产生的视距传播损耗和非视距传播损耗；获得所述用户在每条链路通信传输过程中产生的损耗，进而获得用户接入无人机中继网络通信过程中所产生的总损耗。

5.根据权利要求1或4所述的基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，其特征在于，所述用户接入无人机中继网络通信过程中所产生的总损耗根据如下公式得到：

PL＝PL_LOSP_LOS+PL_NLOSP_NLOS

其中，

其中，PL表示由视距传输损耗与非视距传输损耗组成的链路损耗，分别对各条通信链路，以概率P_LOS取到PL_LOS，以概率P_NLOS取到PL_NLOS，求得各通信链路所对应的视距传输损耗与非视距传输损耗，获得用户到无人机中继节点传输过程中的总损耗PL₁，以及无人机中继节点到基站传输过程中的总损耗PL₂；r₁是用户到无人机的水平距离，r₂是无人机到基站的水平距离，(α₁，β₁)是用户节点的环境参数；(α₂，β₂)是基站节点的环境参数；为用户与无人机通信过程中的视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，为无人机与基站通信过程中的视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，所述额外传播损耗的值与环境参数有关；θ₁与θ₂分别为无人机相对用户和基站两节点产生的俯仰角。

6.根据权利要求1所述的基于无人机中继网络的最佳高度与位置的联合优化方法，其特征在于，所述步骤C中，对所述中继网络中无人机的最佳中继高度与最佳水平位置进行搜索计算，找到使得两条链路通信时产生损耗最小的位置进行数据传输，所述损耗最小的位置根据如下公式得到：

对链路损耗PL进行单位换算：

PL_(dB)＝10logPL'

PL'＝10^(PL/10)

优化问题为：

min PL_总＝PL'₁+PL'₂

s.t.r₁+r₂＝L

将约束条件代入优化问题，并对变量h和r₁求偏导，令偏导等于零，得到如下方程组：

所述方程组的解(h,r₁)即为在所述无人机中继网络通信过程中损耗最小的位置，选择该位置作为无人机的放置点，与用户和基站进行数据传输；其中，PL'为经过单位换算后的链路损耗；L为用户到基站的水平距离；r₁为用户到无人机的水平距离，h为无人机离地面的高度；min表示最小化，s.t.表示约束条件，PL_总表示无人机中继网络的总损耗。