CN110971290B - 能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法 - Google Patents

Abstract

能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法，涉及无人机通信技术领域，所述通信系统包括有源供电的源端节点、多个单天线的无人机中继节点以及多个单天线\多天线的用户节点，除了源端节点，其余节点都通过上一节点收集自身所需的能量。本发明有益效果：在能效最大化准则下，可利用收集的能量实现未来无人机辅助系统远距离和有效的传输，与传统方法相比，本发明实现了大规模的多跳能量收集和信息传输通信，大幅度提高了系统的能效并降低了误码率。

Description

能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法

技术领域

本发明属于无人机通信技术领域，具体涉及能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法。

背景技术

随着人们需求的不断增加，未来的无线通信系统需要比现有通信系统具有更好的通信质量和更广阔的通信范围。近年来，为了提升用户的数据传输速率等体验，5G基站逐渐采用高频段通信进行传输，然而高频段通信使得基站的覆盖范围受限。利用无人机作为空中接入点或中继来增加网络覆盖，提高链路性能，从而减少城市建筑、山体等障碍物的遮挡，获得更高的直达径传输效果。同时，无人机以其机动能力强、部署灵活、运行成本低等优势，在天气监测、森林火灾探测、交通控制、货物运输、应急搜索等方面得到了广泛的应用。

现阶段UAV通信已被作为5G通信的重要组成。以前的移动网络是以“人”为主的地面覆盖，5G网络将扩展为从“人”到“物”的地面加空中的立体覆盖，实现万物物联。从语音通话的2G，至数据为主的3G、4G时代，以及即将来临的 5G时代。移动网络技术的不断发展，也丰富了人们的生活，同时也对行业发展提出了更多的要求。5G时代希望实现10Gbps以上的带宽，超高密度的设备连接，以及低至毫秒级的传输时延。为了解决这些问题核心方案超密集组网技术等。但是现有城市热点地区再增加蜂窝基站建设比较困难。UAV中继辅助通信是一种很好的解决办法。

虽然无人机通信具有很多优势，但无人机是电池供电终端，其续航和耗电是其本身需解决的关键问题，通常情况下无人机使用时其设备的电池难以直接更换，直接限制了无人机的工作时长。同时信息功率传输(SWIPT)是一种新兴技术，它可以同时进行信息传输和能量传递。但是RF能量传输距离对其传输能量影响很大，所以学者们使用了UAV与SWIPT结合来为收集用户信息以及发送能量，无人机可以自己进行能量收集，但仍然不能实现高能效的传输。

为了扩大无线通信的网络覆盖范围及高能效的传输，本发明提出了能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法，解决现有实际环境中功耗受限、资源利用率低。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法，所述通信系统包括有源供电的源端节点、多个单天线的无人机中继节点以及多个单天线\多天线的用户节点，除了源端节点，其余节点都通过上一节点收集自身所需的能量，具体方法为：

步骤一、第一个无人机中继节点R₁从源端节点处接收信号，并对接收到的信号进行功率分流处理后，向第二个无人机中继节点R₂和收集能量的节点发送信息和能量；

步骤二、第二个无人机中继节点R₂和收集能量的用户节点在接收来自第一个无人机中继节点R₁的信息后，对信息进行处理以向信息用户节点发送信息；

步骤三、经过以上传输后，根据用户节点处的信噪比SNR_I，以提高整体系统能效为目标，并在满足收集能量的节点自身所需能量的条件下，建立以下数学模型并对该模型求解得到最优解即为能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法：

其中α₀>0是预先设置的阈值，其定义了从目标节点获取的最小能量；a>0 和b>0为考虑了功率转换效率和硬件电路功耗成本的功耗模型参数； h～CN(0,1)是从源端节点到无人机中继节点R₁的无线信道，服从均值为0方差为1的循环对称复高斯分布；

是从源端节点到无人机中继节点R₁的非静态抖动误差，该误差源于无人机传输过程中形成的，P_S是无人机辅助网络中源节点的发射功率；0<ρ<1是功率分流因子；k～CN(0,1)为从中继节点R₁到收集能量节点的无线信道，

是从中继节点R₁到收集能量节点的抖动无线信道，

为收集能量节点处的噪声的方差，m为接收端的天线数，

为第一个无人机中继节点处噪声的方差。

本发明所述步骤一中第一个无人机中继节点R₁接收及发送信号的具体流程为：

(1)第一个无人机中继节点R₁从源端节点处接收到的信号

为：

其中，x是发射信号，

是无人机中继节点R₁处加性高斯白噪声，服从均值为0方差为

的循环对称复高斯分布；

(2)第一个无人机中继节点R₁接收到源节点的信号后，采用功率分流法收集到的能量

及接收到的能量的功率

分别为：

(3)第一个无人机中继节点R₁接收的无线信号

及接收到的信号的功率

分别为：

其中

是服从均值为0方差为

的从射频到基带的转换噪声；

(4)第一个无人机中继节点R₁发送的信号

为：

(5)收集能量的节点接收到的能量||y_E||²为：

本发明所述步骤二中第二个无人机中继节点R₂和收集能量的用户节点在接收来自第一个无人机中继节点R₁的信息后，对信息进行处理以向信息用户节点发送信息，具体为：

(1)第二个无人机中继节点R₂接收到的信号

为：

其中，g～CN(0,1)和

分别是第一个无人机中继节点R₁与第二个无人机中继节点R₂的无线信道与非静态抖动信道；

为第二个无人机中继节点R₂接收处的高斯白噪声。

(2)第二个无人机中继节点R₂继续采用分流法，分流因子为θ，收集到的能量和信号分别为

其中，z₂是第二个无人机中继节点从射频到基带的转换噪声。

(3)用户节点收到的信号y_D为：

其中，

w是预接收矩阵，等于

f～CN(0,1)和

是从第二个无人机中继节点R₂到收集能量的用户节点无线信道和非静态抖动无线信道，

是第二个无人机中继节点从射频到基带的转换噪声的方差；

是收集信号的用户节点处的高斯白噪声。

本发明所述步骤三中用户节点处的信噪比SNR_I为：

其中_，σ₃表示收集信号的用户节点处高斯白噪声的方差。

本发明的有益效果是：本发明在能效最大化准则下，利用收集的能量实现未来无人机辅助系统远距离和有效的传输，本发明在实际场景中能得到很好的应用，由于考虑了实际传输中出现的抖动误差，因此，本发明的优化方法具有很强的鲁棒性，可适用于大规模中继协同的能量收集和信息传输场景中，具有广覆盖、低功耗、运行成本低等优势。其中广覆盖主要表现为无人机中继节点具有移动性且部署具有灵活性，而低功耗则主要表现为发送端预编码或波束成型的方法设计，采用能效最大化准则对系统进行优化，可以实现更加绿色的无线通信传输环境。与传统方法相比，本发明实现了大规模的多跳能量收集和信息传输通信，大幅度提高了系统的能效并降低了误码率。

附图说明

图1为本发明一实施例的无人机辅助通信场景示意图；

图2为本发明一实施例的实施场景图；

图3为本发明当ρ＝0.5时，不同功耗的系统能效对比仿真图；

图4为本发明当ρ＝0.9时，不同功耗的系统能效对比仿真图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式(实施例)进行描述，使本领域的技术人员能够更好地理解本发明。

如图2所示，无人机中继协同的通信系统中，存在有源供电的源端节点、单天线的无人机中继节点、单天线\多天线的用户节点等，本发明是对系统中发射功率进行优化，以提高整体系统能效并降低系统误码率，包括以下步骤：

(1)第一个无人机中继节点R₁从源端节点处接收到信号，并对接收到的信号进行功率分流处理后，向第二个无人机中继节点R₂和收集能量的节点发送信息和能量，具体步骤如下；

第一个无人机中继节点从源点处接收到的信号为：

其中P_S是无人机辅助网络中源节点的发射功率，无人机中继节点R₁的发送功率是通过源节点发送信号获取的能量，无人机中继节点R₁针对第二跳的信号发送则完全依赖于第一跳源节点的信号获取的能量，因此对源节点的发射功率进行信息传输和能量收集的优化是很有必要的。其中h～CN(0,1)是从源端到无人机中继节点的无线信道，服从均值为零方差为1的循环对称复高斯分布，

是从源端到无人机中继节点R₁的非静态抖动误差，该误差源于无人机传输过程中形成的，x是发射信号，

是无人机中继节点R₁处加性高斯白噪声，服从均值为零方差为

的循环对称复高斯分布。

第一个无人机中继节点R₁接收到源节点的信号后，采用功率分流法收集能量：

其中0<ρ<1是功率分流因子，因此，第一个无人机中继节点R₁从所有接收到的信号中分离出信号之后的能量是

第一个无人机中继节点R₁接收到的能量的功率为

第一个无人机中继节点R₁接收的无线信号是

其中

是服从均值为零方差为

的从射频到基带的转换噪声。

第一个无人机中继节点R₁接收到的信号的功率为：

第一个无人机中继节点R₁发送的信号是

第二跳链路中，接收能量的节点接收到的能量是

其中k～CN(0,1)为从中继节点R₁到收集能量节点的无线信道，

是从中继节点R₁到收集能量节点的抖动无线信道，

为收集能量节点处的噪声的方差。

另外，第二个无人机中继节点R₂接收到的信号是

第二个无人机中继节点R₂和收集能量的节点在接收来自第一个无人机中继节点的信息后，对信息进行处理以想信息用户节点发送信息，具体步骤如下：

第二个无人机中继节点R₂继续采用分流法(分流因子θ)，收集到的能量和信号分别为

第三跳链路中，接收信号的节点收到的信号为：

其中

由以上可得到经过三跳传输，接收信号的节点处的信噪比是

在满足收集能量节点自身所需的能量α₀的条件下，建立模型将问题优化为为

对以上模型求解得到最优解即是能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法；其中α₀>0是预先设置的阈值，其定义了从目标节点获取的最小能量。a>0和b>0考虑了功率转换效率和硬件电路功耗成本的功耗模型参数。与诸多系统不同，本系统中目标函数涉及的信噪比是要经过多跳传输和两次功率分流后接收信号节点处的信噪比。约束条件是第二跳收集能量目的节点处收集的最小能量，在增加覆盖范围的同时可以节约能量。

利用本发明可有效解决无人机辅助网络中高效可靠的无线多跳传输的功耗受限、制造成本高和资源利用率低等问题。

本发明适用于具有大规模节点的无人机辅助传输系统，尤其适用于广覆盖、低功耗、运行成本低传输等应用。

本发明数学模型求解的一个方法：利用高信噪比近似法需将其转化为凸优化后并解决P_s是一个三次项的问题。在高信噪比情况下，射频转换噪声的协方差

可以被忽略(第二个无人机中继节点R₂功率采用平均分配策略)，信噪比为

进一步地，为便于使用拉格朗日乘子法求：

用拉格朗日函数表示

因此，获得源节点的渐近最优发送功率

Claims (2)

1.能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法，其特征在于：所述通信系统包括有源供电的源端节点、多个单天线的无人机中继节点以及多个单天线\多天线的用户节点，除了源端节点，其余节点都通过上一节点收集自身所需的能量，具体方法为：

步骤一、第一个无人机中继节点R₁从源端节点处接收信号，并对接收到的信号进行功率分流处理后，向第二个无人机中继节点R₂和收集能量的节点发送信息和能量，具体流程为：

(1)第一个无人机中继节点R₁从源端节点处接收到的信号y_R1为：

其中，x是发射信号，

是无人机中继节点R₁处加性高斯白噪声，服从均值为0方差为

的循环对称复高斯分布；

(2)第一个无人机中继节点R₁接收到源节点的信号后，采用功率分流法收集到的能量y_R1,E及接收到的能量的功率

分别为：

(3)第一个无人机中继节点R₁接收的无线信号

及接收到的信号的功率

分别为：

其中

是服从均值为0方差为

的从射频到基带的转换噪声；

(4)第一个无人机中继节点R₁发送的信号

为：

(5)收集能量的节点接收到的能量||y_E||²为：

步骤二、第二个无人机中继节点R₂和收集能量的用户节点在接收来自第一个无人机中继节点R₁的信息后，对信息进行处理以向信息用户节点发送信息，具体为：(1)第二个无人机中继节点R₂接收到的信号

为：

其中，g～CN(0,1)和

分别是第一个无人机中继节点R₁与第二个无人机中继节点R₂的无线信道与非静态抖动信道；

为第二个无人机中继节点R₂接收处的高斯白噪声；

(2)第二个无人机中继节点R₂继续采用分流法，分流因子为θ，收集到的能量和信号分别为

其中，z₂是第二个无人机中继节点从射频到基带的转换噪声；

(3)用户节点收到的信号y_D为：

其中，

w是预接收矩阵，等于

f～CN(0,1)和

是从第二个无人机中继节点R₂到收集能量的用户节点无线信道和非静态抖动无线信道，

是第二个无人机中继节点从射频到基带的转换噪声的方差；

是收集信号的用户节点处的高斯白噪声；

步骤三、经过以上传输后，根据用户节点处的信噪比SNR_I，以提高整体系统能效为目标，并在满足收集能量的节点自身所需能量的条件下，建立以下数学模型并对该模型求解得到最优解即为能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法：

其中α₀>0是预先设置的阈值，其定义了从目标节点获取的最小能量；a>0和b>0为考虑了功率转换效率和硬件电路功耗成本的功耗模型参数；h～CN(0,1)是从源端节点到无人机中继节点R₁的无线信道，服从均值为0方差为1的循环对称复高斯分布；

是从源端节点到无人机中继节点R₁的非静态抖动误差，该误差源于无人机传输过程中形成的，P_S是无人机辅助网络中源节点的发射功率；0<ρ<1是功率分流因子；k～CN(0,1)为从中继节点R₁到收集能量节点的无线信道，

是从中继节点R₁到收集能量节点的抖动无线信道，

为收集能量节点处的噪声的方差，m表示信号接收端的天线数，

为第一个无人机中继节点处噪声的方差。

2.根据权利要求1所述的能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法，其特征在于：所述步骤三中用户节点处的信噪比SNRI为：

其中，σ₃表示收集信号的用户节点处高斯白噪声的方差。

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