CN113179537A - 面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法和装置，方法包括：根据各个无源节点采集到的能量确定无人机空中平台传输能量所用的能量传输功率，基于能量传输功率确定各个无源节点向无人机空中平台传输信息的发射功率；基于发射功率确定各无源节点发送信息到无人机空中平台的第一信道容量；基于能量传输功率确定无人机空中平台转发信息到网络接入点的第二信道容量；基于第一信道容量和第二信道容量选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统。
Description
技术领域
本发明涉及面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着无线通信的迅速发展，无人机因其可控的机动性、灵活性、低成本、强视距信道和快速部署,无人机已成为近年来最受欢迎的通信研究方向之一。并且由于物联网技术的普及，物联网设备的能量问题愈发成为物联网发展的重要阻碍。频繁更换物联网中布置的大量传感器，势必会影响用户体验和增大人工成本。而研究无人机与无线供能通信的结合，将有望解决这一问题。
如何利用无人机作为无线中继以及能量来源，来实现改善无源节点的通信性能是目前需要解决的技术问题，对于物联网的发展有着至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的是面向无人机无线供能通信系统，提供一种节点调度方法来改善无源节点的通信性能。
本发明采用以下技术方案。
一方面提供一种面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，所述系统包括网络接入点、无人机空中平台、多个无源节点，无源节点在无人机空中平台辅助下完成能量采集和信息传输，所述方法包括：根据各个无源节点采集到的能量确定无人机空中平台传输能量所用的能量传输功率，基于所述能量传输功率确定各个无源节点向无人机空中平台传输信息的发射功率；
基于所述发射功率确定各无源节点发送信息到无人机空中平台的第一信道容量；基于所述能量传输功率确定无人机空中平台转发信息到网络接入点的第二信道容量；
基于第一信道容量和第二信道容量选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统。
进一步地，所述能量传输功率的计算表达式如下：
其中，Pi1 *为第i个无源节点作为所选终端时无人机空中平台传输能量所用功率的分配结果，PU为无人机空中平台受限的总功率，η为能量转换效率，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落，GUB为无人机空中平台到网络接入点的大尺度传输损耗，hUB为无人机空中平台到网络接入点的小尺度衰落。
进一步地，所述发射功率的计算公式如下：
其中，Pi为第i个无源节点用以向无人机空中平台发送信息的发送功率，Pi1为到第i个无源节点作为接入节点时无人机空中平台传输能量的功率，η为能量转换效率，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落。
再进一步地，所述第一信道容量的计算公式如下：
其中，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，T为时隙交换协议的一个时间周期，Pi为第i个无源节点用以向无人机空中平台发送信息的发送功率，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落，N0为信道噪声功率。
进一步地，所述第二信道容量的计算公式如下：
其中，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，T为时隙交换协议的一个时间周期，Pi2为Pi2为第i个无源节点作为所选终端时无人机空中平台转发信息的功率，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落，N0为信道噪声功率。
进一步地，基于第一信道容量和第二信道容量选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统的表达式如下：
其中，k为使得系统信道容量最大的无源节点，
为无源节点的集合。
为无人机空中平台采用上述功率分配结果时第i个无源节点将信息发送至无人机空中平台的信道容量，
为
为无人机空中平台采用上述功率分配结果并将信息转发至网络接入点的信道容量。
另一方面，本发明提供了面向无人机无线供能通信系统的节点调度装置，所述系统包括网络接入点、无人机空中平台、多个无源节点，无源节点在无人机空中平台辅助下完成能量采集和信息传输，所述装置包括：能量传输计算模块、发射功率计算模块、信道容量计算模块以及节点选择模块；
所述能量传输计算模块，用于根据各个无源节点采集到的能量确定无人机空中平台传输能量所用的能量传输功率；
所述发射功率计算模块，用于基于能量传输计算模块确定的能量传输功率确定各个无源节点向无人机空中平台传输信息的发射功率；
所述信道容量计算模块，用于基于发射功率计算模块确定的发射功率确定各无源节点发送信息到无人机空中平台的第一信道容量；基于所述能量传输功率确定无人机空中平台转发信息到网络接入点的第二信道容量；
所述节点选择模块，用于基于所述信道容量计算模块确定的第一信道容量和第二信道容量选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统。
本发明所取得的有益技术效果：
在无人机空中平台功率总和受限下，考虑了各无源节点发送信息到无人机空中平台的信道容量，以及无人机空中平台转发信息到网络接入点的信道容量，选择使两个信道容量的最小值最大的节点接入无人机无线供能通信系统，能够显著提升系统容量。
附图说明
图1为本发明实施例中无人机无线供能通信系统系统模型图；
图2为本发明实施例提供的节点调度方法流程图；
图3是本发明实施例提供的节点调度方法与其他方案的系统信道容量与无人机空中平台总功率的关系曲线仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步描述。以下实例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供了面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，如图1所示，所述无人机无线供能通信系统包括一个网络接入点，一个无人机空中平台，多个无源节点，无源节点在无人机空中平台辅助下完成能量采集和信息传输。所述网络接入点，无人机空中平台和无源节点都配备单天线。本发明提供的方法包括：
步骤A：无人机空中平台利用时隙交换协议向无源节点传输能量，在一个时隙交换协议的时间周期T内，无源节点在αT时隙内采集能量并加以储存，α为时隙交换协议的时间分配因子，所采集的能量用于与无人机空中平台之间的信息传输，计算出各个无源节点在
时隙内用于传输信息的发射功率，此处以时隙交换协议为例，但本专利也适用于其他能量采集协议
步骤B：计算出在
时隙内各无源节点发送信息到无人机空中平台以及无人机空中平台转发信息到网络接入点的信道容量；
步骤C：根据信道容量求出每个无源节点作为所选终端时，无人机空中平台传输能量所用的能量传输功率，以及各个无源节点向无人机空中平台传输信息的发射功率；
步骤D：根据功率分配结果计算出每个无源节点作为所选终端时系统的信道容量，选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统完成节点调度。
所述方法具体包括如下步骤，具体流程如图2所示：
无人机空中平台到各个无源节点和各个无源节点到无人机空中平台的大尺度传输损耗由下述公式得到：
其中，GiU为第i个无源节点到无人机空中平台的大尺度传输损耗，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，
为第i个无源节点到无人机空中平台的视距传播概率，
分别为第i个无源节点到无人机空中平台的非视距传播概率，c为光速，fc为载波频率，η1L为无人机空中平台到无源节点的视距传播相对于自由空间所带来的额外传播损耗，η1N表示无人机空中平台到无源节点的非视距传播相对于自由空间所带来的额外传播损耗，diU为第i个无源节点到无人机空中平台的距离，n为路径损耗因子。
无人机空中平台到网络接入点的大尺度传输损耗由下述公式得到：
其中，GUB为无人机空中平台到网络接入点的大尺度传输损耗，
为无人机空中平台到网络接入点的视距传播概率，
为无人机空中平台到网络接入点的非视距传播概率，η2L表示无人机空中平台到网络接入点的视距传播相对于自由空间所带来的额外传播损耗，η2N表示无人机空中平台到网络接入点的非视距传播相对于自由空间所带来的额外传播损耗，dUB为无人机空中平台到网络接入点的距离。
第i个无源节点到无人机空中平台的视距传播概率
为：
其中，aiU和biU为无源节点附近的环境参数，θiU为无人机空中平台相对于第i个无源节点所产生的俯仰角。
无人机空中平台到网络接入点的视距传播概率
为：
其中，aUB和bUB为网络接入点附近的环境参数，θUB为无人机空中平台相对于网络接入点所产生的的俯仰角。
第i个无源节点到无人机空中平台的非视距传播概率
为：
无人机空中平台到网络接入点的视距传播概率
为：
无人机空中平台相对于第i个无源节点所产生的俯仰角θiU为：
其中，H为无人机空中平台的高度，LiU是无人机空中平台与第i个无源节点的水平距离。
无人机空中平台相对于网络接入点所产生的的俯仰角θUB为：
其中，LUB是无人机空中平台与网络接入点的水平距离。
无人机空中平台发射射频信号，无源节点利用时隙交换协议采集的能量记为Ei。以线性能量采集模型为例，Ei可由下公式获得：
Ei＝ηαiTPi1GUi|hUi|2
其中，Ei为第i个无源节点采集到的能量，η为能量转换效率，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，T为时隙交换协议的一个时间周期，Pi1为到第i个无源节点作为接入节点时无人机空中平台传输能量的功率，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落。虽然此处以线性能量采集模型为例，但本专利也适用于其他能量采集模型。
各个节点用于向无人机空中平台传输信息的发射功率由以下公式获得：
其中，Pi为第i个无源节点用以向无人机空中平台发送信息的发送功率。
无源节点发送信息到无人机空中平台的信道容量由以下公式获得：
其中，Ci1为第i个无源节点将信息发送至无人机空中平台的信道容量，hiU为第i个无源节点到无人机空中平台的小尺度衰落，N0为信道噪声功率。
无人机空中平台转发信息到网络接入点的信道容量由以下公式获得：
其中，Ci2为无人机空中平台将信息转发至网络接入点的信道容量，Pi2为第i个无源节点作为所选终端时无人机空中平台转发信息的功率，hUB为无人机空中平台到网络接入点的小尺度衰落。
无人机空中平台发射射频信号以及转发信息的功率分配结果由以下公式得出：
Ci1对Pi1求导可知，导数f'(x)＞0，随着Pi1的增大而增大，Ci2对Pi1求导可知，导数f'(x)＜0，随着Pi1的减小而减小。则最佳的功率分配在Ci1＝Ci2时取到。
Ci1＝Ci2时则有：
进一步可得出：
PiGiU|hiU|2＝Pi2GUB|hUB|2
将上述对应公式代入可得：
则功率分配结果应为：
其中，Pi1 *为第i个无源节点作为所选终端时无人机空中平台传输能量所用功率的分配结果，PU为无人机空中平台受限的总功率。
Pi2 *＝PU-Pi1 *
其中，Pi2 *为第i个无源节点作为所选终端时无人机空中平台转发信息所用功率的分配结果。
无人机空中平台采用上述功率分配结果时第i个无源节点将信息发送至无人机空中平台的信道容量由以下公式获得：
其中，
为无人机空中平台采用上述功率分配结果时第i个无源节点将信息发送至无人机空中平台的信道容量。
无人机空中平台采用上述功率分配结果并将信息转发至网络接入点的信道容量由以下公式获得：
其中，
为无人机空中平台采用上述功率分配结果并将信息转发至网络接入点的信道容量。
根据功率分配结果计算出每个无源节点作为所选终端时系统的信道容量，选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统；节点调度所选的接入终端由以下公式获得：
其中，k为使得系统信道容量最大的无源节点，
为无源节点的集合。
以上已较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
下面给出计算机上用MATLAB语言仿真实现发明的一个实例。在仿真中设定无线信道相互独立，无人机空中平台对地面各节点和网络接入点之间的信道服从莱斯衰落。仿真结果如图3所示，其中c为光速，取值为3×108M/S，fc为载波频率，取值为2×109Hz。η1L、η1N、η2L和η2N分别表示无人机空中平台到无源节点和网络接入点的视距传播和非视距传播相对于自由空间带来的额外传播损耗，分别取值为1dB，21dB和1.6dB，23dB。n为路径损耗因子，取值为3。aiU和biU为无源节点附近的环境参数，aUB和bUB为网络接入点附近的环境参数，分别取值为9.6dB，0.28dB和11.95dB，0.136dB。η为能量转换效率，取值为0.6，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，统一取值为0.5。坐标用笛卡尔坐标系表示，网络接入点的坐标为(0,0,0)，无人机空中平台的坐标为(900,0,20)，四个无源节点的坐标分别为：(915,0,0)、(930,25,0)、(940,30,0)和(970,70,0)。其中噪声N0为-110dbm/Hz。图中的自变量为无人机空中平台的总功率，由图可得，随着无人机空中平台总功率的增大，所提方案的信道容量也随之增长，且对比其他方案有明显优势。
本实施例考虑了各无源节点发送信息到无人机空中平台的信道容量，以及无人机空中平台转发信息到网络接入点的信道容量，选择使两个信道容量的最小值最大的节点接入无人机无线供能通信系统，能够显著提升系统容量。
与以上实施例提供的面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法相对应地，本发明具体实施例还提供了面向无人机无线供能通信系统的节点调度装置，包括：能量传输计算模块、发射功率计算模块、信道容量计算模块以及节点选择模块；
所述能量传输计算模块，用于根据各个无源节点采集到的能量确定无人机空中平台传输能量所用的能量传输功率；
所述发射功率计算模块，用于基于能量传输计算模块确定的能量传输功率确定各个无源节点向无人机空中平台传输信息的发射功率；
所述信道容量计算模块，用于基于发射功率计算模块确定的发射功率确定各无源节点发送信息到无人机空中平台的第一信道容量；基于所述能量传输功率确定无人机空中平台转发信息到网络接入点的第二信道容量；
所述节点选择模块，用于基于所述信道容量计算模块确定的第一信道容量和第二信道容量选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置、单元或模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，所述系统包括网络接入点、无人机空中平台、多个无源节点，无源节点在无人机空中平台辅助下完成能量采集和信息传输，其特征在于，所述方法包括：根据各个无源节点采集到的能量确定无人机空中平台传输能量所用的能量传输功率，基于所述能量传输功率确定各个无源节点向无人机空中平台传输信息的发射功率；
基于所述发射功率确定各无源节点发送信息到无人机空中平台的第一信道容量；基于所述能量传输功率确定无人机空中平台转发信息到网络接入点的第二信道容量；
基于第一信道容量和第二信道容量选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统。
2.根据权利要求1所述的面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，其特征在于，所述能量传输功率的计算表达式如下：
其中，Pi1 *为第i个无源节点作为所选终端时无人机空中平台传输能量所用功率的分配结果，PU为无人机空中平台受限的总功率，η为能量转换效率，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落，GUB为无人机空中平台到网络接入点的大尺度传输损耗，hUB为无人机空中平台到网络接入点的小尺度衰落。
3.根据权利要求1所述的面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，其特征在于，所述发射功率的计算公式如下：
其中，Pi为第i个无源节点用以向无人机空中平台发送信息的发送功率，Pi1为到第i个无源节点作为接入节点时无人机空中平台传输能量的功率，η为能量转换效率，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落。
4.根据权利要求3所述的面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，其特征在于，所述第一信道容量的计算公式如下：
其中，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，T为时隙交换协议的一个时间周期，Pi为第i个无源节点用以向无人机空中平台发送信息的发送功率，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落，N0为信道噪声功率。
5.根据权利要求1所述的面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，其特征在于，所述第二信道容量的计算公式如下：
其中，αi为第i个用户采用时隙交换协议的时间分配因子，T为时隙交换协议的一个时间周期，Pi2为Pi2为第i个无源节点作为所选终端时无人机空中平台转发信息的功率，GUi为无人机空中平台到第i个无源节点的大尺度传输损耗，hUi为无人机空中平台到第i个无源节点的小尺度衰落，N0为信道噪声功率。
6.根据权利要求1所述的面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法，其特征在于，基于第一信道容量和第二信道容量选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统的表达式如下：
其中，k为使得系统信道容量最大的无源节点，
为无源节点的集合。
为无人机空中平台采用上述功率分配结果时第i个无源节点将信息发送至无人机空中平台的信道容量，
为
为无人机空中平台采用上述功率分配结果并将信息转发至网络接入点的信道容量。
7.面向无人机无线供能通信系统的节点调度装置，所述系统包括网络接入点、无人机空中平台、多个无源节点，无源节点在无人机空中平台辅助下完成能量采集和信息传输，其特征在于，所述装置包括：能量传输计算模块、发射功率计算模块、信道容量计算模块以及节点选择模块；
所述能量传输计算模块，用于根据各个无源节点采集到的能量确定无人机空中平台传输能量所用的能量传输功率；
所述发射功率计算模块，用于基于能量传输计算模块确定的能量传输功率确定各个无源节点向无人机空中平台传输信息的发射功率；
所述信道容量计算模块，用于基于发射功率计算模块确定的发射功率确定各无源节点发送信息到无人机空中平台的第一信道容量；基于所述能量传输功率确定无人机空中平台转发信息到网络接入点的第二信道容量；
所述节点选择模块，用于基于所述信道容量计算模块确定的第一信道容量和第二信道容量选择能够使得系统信道容量最大的无源节点接入系统。
Priority Applications (1)
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| CN202110485768.2A CN113179537B (zh) | 2021-04-30 | 2021-04-30 | 面向无人机无线供能通信系统的节点调度方法和装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN114915998A (zh) * | 2022-05-31 | 2022-08-16 | 电子科技大学 | 一种无人机辅助自组网通信系统信道容量计算方法 |
Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN110601789A (zh) * | 2019-11-18 | 2019-12-20 | 南京邮电大学 | 一种基于多用户调度与干扰选择的无线携能保密通信方法 |
| CN110677191A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-01-10 | 南京邮电大学 | 一种基于空间信道状态信息的无人机中继选择优化方法 |
| CN110719125A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-01-21 | 南京邮电大学 | 一种面向无人机频谱共享系统的多天线传输方法 |
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2021
- 2021-04-30 CN CN202110485768.2A patent/CN113179537B/zh active Active
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| CN114915998B (zh) * | 2022-05-31 | 2023-05-05 | 电子科技大学 | 一种无人机辅助自组网通信系统信道容量计算方法 |
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| Publication number | Publication date |
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