CN113260013A - 基于运动信源的无人机能量协同传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于运动信源的无人机能量协同传输方法及装置，包括：将信息传输运动过程分为N个时隙周期；在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比，并按调整后功率分流比进行由运动信源至终端的两跳信息传输。本实施例通过能量收集技术以及无人机组内部的能量协同方案，解决无人机中继储能、续航受限的问题，并通过灵活调整无人机的角色以及其接收机的功率分流比，以应对信源运动带来的信道时变问题，进而达到最大化装置吞吐量的目的。

Description

基于运动信源的无人机能量协同传输方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于运动信源的无人机能量协同传输方法及装置。

背景技术

在无线通信领域，中继有利于提高源端和目标之间传输的可靠性、提升系统数据吞吐量，并通过提供附加链路来扩展网络覆盖范围。无人机作为中继在无线通信的运用日益广泛，相较于传统静态中继，得益于其小巧、灵活及多功能性，无人机中继具有以下优势与特征：(i)空中无人机可以根据实时需求动态调整，即快速和灵活的部署；(ii)高且可控的3D移动性，飞行轨迹更加灵活、适用于更复杂多变的场景；(iii)视距主导信道，能减少衰落，从而带来更加稳定的链路质量和更高的可靠性。在中继端，放大转发策略(Amplify-and-Forward，AF)相较于解码转发策略(Decode-and-Forward，DF)复杂度更低，而无人机接收机不宜配备复杂的电路，因此AF协议被更加广泛地应用在无人机中继通信场景中。

无人机中继受限于电池与续航能力，而能量收集(Energy Harvesting，EH)技术可以保证长时间运行的无人机中继的能量续航，具有先进性和实用性。借由电磁辐射这一具有无线广播性质的能源，在无人机的接收端设计能量收集天线与电路，再通过设备整流器将其转化为电能以供设备的使用，使无人机可以同时具有能量广播与信息接收的功能，不仅可以单独完成能量传输(Wireless Energy Transfer，WET)以及信息传输(WirelessInformation Transfer，WIT)，也能更高效地实现信息与能量的高效同传(SimultaneousWireless Information and Energy Transfer，SWIPT)。EH技术主要包括时间切换(TimeSwitching，TS)和功率分流(Power Splitting)，其重要指标分别为在单位时隙内EH和信息传输(Information Processing，IP)的时间切换因子以及在两个连续时隙内用于EH和IP的功率分流比，且PS的使用相对更为广泛。而EH技术中，所收集的能量信号来源可以是信源、外部源、人工噪声(Artificial Noise，AN)等。然而，现有的基于能量收集的中继方案中，一方面较少考虑到源端及中继的运动性，由此得到的最优功率分流比缺乏应对各种运动轨迹的灵活调整能力；另一方面，其能量源大多是信源或其他外部源，当多台无人机中继被使用时，未考虑到运动过程中不同无人机的能量收集情况的差异性以及无人机之间的能量维度的协同即EC，使得多台无人机收集到的能量无法得到最大化的利用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种基于运动信源的无人机能量协同传输方法及装置。

第一方面，本发明实施例提供一种基于运动信源的无人机能量协同传输方法，包括：

将信息传输运动过程分为N个时隙周期；N为正整数；

在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；其中，所述转发质量的参考指标为信噪比；与所述信息中继对应的无人机中继信号转发质量高于与所述能量中继对应的无人机中继信号转发质量；

在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并按调整后功率分流比θ进行由运动信源至终端的两跳信息传输；其中，0＜θ＜1，设置与所述能量中继对应的无人机进行能量收集、中继传输与能量协同；设置与所述信息中继对应的无人机接收与所述能量中继对应的无人机的能量，并由与所述信息中继对应的无人机完成第二跳信息传输。

进一步地，还包括：

在每个时隙周期内进行能量收集、中继选择、能量协同过程；

相应地，在第n-1个时隙周期进入第n个时隙周期时，基于当前第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量，判断在第n个时隙周期内是否需要进行中继切换；确定第n个时隙周期内的信息中继和能量中继；其中，1≤n≤N。

进一步地，还包括：

在确定第n个时隙周期内的信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并在调整后将与信息中继对应的无人机功率分流比作为此无人机在第n+1个时隙周期内的功率分流比初始值，与能量中继对应的无人机功率分流比在第n+1个时隙周期内的功率分流比初始值为预设给定值θ_ini，用于判断在第n+1个时隙周期内是否需要进行中继切换。

进一步地，包括：

信息中继以功率分流比θ的比例进行能量收集；

相应地，信息中继以1-θ的比例用于第一跳信息传输。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于运动信源的无人机能量协同传输装置，包括：

第一模块，用于将信息传输运动过程分为N个时隙周期；N为正整数；

第二模块，用于在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；其中，所述转发质量的参考指标为信噪比；与所述信息中继对应的无人机中继信号转发质量高于与所述能量中继对应的无人机中继信号转发质量；

第三模块，用于在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并按调整后功率分流比θ进行由运动信源至终端的两跳信息传输；其中，0＜θ＜1，设置与所述能量中继对应的无人机进行能量收集、中继传输与能量协同；设置与所述信息中继对应的无人机接收与所述能量中继对应的无人机的能量，并由与所述信息中继对应的无人机完成第二跳信息传输。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上第一方面所述的基于运动信源的无人机能量协同传输方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面所述的基于运动信源的无人机能量协同传输方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的基于运动信源的无人机能量协同传输方法及装置，通过将信息传输运动过程分为N个时隙周期；在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比，并按调整后功率分流比进行由运动信源至终端的两跳信息传输。本实施例通过能量收集技术以及无人机组内部的能量协同方案，解决无人机中继储能、续航受限的问题，并通过灵活调整无人机的角色以及其接收机的功率分流比，以应对信源运动带来的信道时变问题，进而达到最大化系统吞吐量的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明一实施例提供的基于运动信源的无人机能量协同传输方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的无人机中继链路模型示意图；

图3为本发明一实施例提供的无人机功率分流接收机模型示意图；

图4为本发明一实施例提供的双无人机能量协同系统信号及能量传输模型示意图；

图5为本发明一实施例提供的基于时隙的中继选择与能量协同模型示意图；

图6为本发明一实施例提供的不存在能量协同时能量、信号传输时隙图；

图7为本发明一实施例提供的存在能量协同时能量、信号传输时隙图；

图8为本发明一实施例提供的信息中继能量变化示意图；

图9为本发明一实施例提供的能量中继能量变化示意图；

图10为本发明一实施例提供的双无人机能量协作实例场景模型示意图；

图11为本发明一实施例提供的在运动过程中的瞬时吞吐量示意图；

图12为本发明一实施例提供的在运动过程中的平均吞吐量示意图；

图13为本发明一实施例提供的在运动过程中无人机组的角色切换频率示意图；

图14为本发明一实施例提供的基于运动信源的无人机能量协同传输装置的结构示意图；

图15为本发明一实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例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。下面将通过具体的实施例对本发明提供的基于运动信源的无人机能量协同传输方法进行详细解释和说明。

首先对本发明中出现的术语进行解释说明，参见表1术语解释表：

表1术语解释表

图1为本发明一实施例提供的基于运动信源的无人机能量协同传输方法的流程示意图；如图1所示，该方法包括：

步骤101：将信息传输运动过程分为N个时隙周期；N为正整数。

步骤102：在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；其中，所述转发质量的参考指标为信噪比；与所述信息中继对应的无人机中继信号转发质量高于与所述能量中继对应的无人机中继信号转发质量。

步骤103：在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并按调整后功率分流比θ进行由运动信源至终端的两跳信息传输；其中，0＜θ＜1，设置与所述能量中继对应的无人机进行能量收集、中继传输与能量协同；设置与所述信息中继对应的无人机接收与所述能量中继对应的无人机的能量，并由与所述信息中继对应的无人机完成第二跳信息传输。

在本实施例中，需要说明的是，参见图2，假设无人机中继AF模型中，存在直连链路与中继转发链路。在第一个时隙内，运动的信源S向无人机中继以及终端发送信号。在第二个等长的时隙，直连链路没有信号传输，无人机中继以相应放大系数将信号转发至终端。最终终端在两个时隙内收到来自两条链路的信源信号的拷贝，之后再采取适宜的接收方式即可完成信号的传输。

参见图3，对于运动信源发射的功率为P_S的信号，无人机接收机处的功率分流器将收集θ(0＜θ＜1)比例的能量，而(1-θ)P_S则用于信源向中继发射信号。无人机处收集到的能量将用于无人机中继的推进消耗以及如图1所示的第二跳信号转发。若EH的比例更大则中继转发功率会更大，但相应的第一跳IP所能使用的功率就会减少，因此最终的吞吐量并不是对θ的单调函数，需要在EH与IP间进行平衡。根据信源的运动情况，可以灵活调整不同时刻的功率分流比θ，从而使得整个运动过程的系统吞吐量最大。

当使用无人机组时，若干台无人机既可以从信源处收集能量，也能从其他无人机处收集能量。合理的能量交互及能量协同(Energy Cooperation，EC)能提高能量的利用效率，进而提升系统的吞吐量。

本发明实施例的优化目标函数为信源运动场景下具备EH及无人机间EC的无人机组中继系统的吞吐量，需要优化的因子为每个单位周期内各台无人机接收机处的功率分流比θ。

本发明实施例针对信源和无人机中继都时刻运动的场景，提出一种具备无人机中继间能量协同的能量收集方案，保证运动过程中无人机的续航以及所收集能量的最大化利用，并通过实时调整两台无人机各自的功率分流比θ，使运动过程中的系统吞吐量最大。本发明实施例所提出的方案具有灵活应对运动信源的能力，且能量协同能更高效地利用各无人机中继从源端收集到的能量。

具体地，本发明针对信源与基站(Base Station，BS)相隔较远，不存在直连链路的通信场景，提出一种具有能量收集及能量协同功能的双无人机中继辅助运动信源完成信号传输的方法。此场景下，信源与无人机都时刻运动，信源端能量充足，两台无人机可以从信源处接收有用信号的同时进行能量收集。此外，在运动过程中，根据两台无人机中继信号转发质量的高低进行周期性的中继选择，传输质量较好的一台无人机(称为信息中继)将额外接收来自传输质量较差的另一台无人机(称为能量中继)的能量，此时双无人机系统将由信息中继完成第二跳的信号转发，而能量中继则不参与第二跳传输，此时可以通过对两台无人机的功率分流比的优化来提高系统吞吐量。上述场景如下所示：

如图4所示，信源以速度Vs进行匀速直线运动，两台无人机以速度Vu按照一定的轨迹匀速运动，两台无人机会在不同的运动时刻根据链路质量进行能量中继与信息中继的角色切换。以其中某一时刻UAV₁为信息中继，UAV₂为能量中继进行传输链路的说明，此传输场景中总共存在三种类型的链路:

(a)第一类是SWIPT链路，两台无人机根据各自的功率分流比θ_i,i∈{1,2}，依靠接收机处独立的信息接收天线与能量接收天线完成信息与能量的同时接收。图3中的示例为

(b)第二类是WET链路，其作用是传输能量，其载体信号s不携带具体的信息，即满足E(|s|²)＝1。在图4中存在3条这样的链路，分别是UAV₂的能量收集链路

UAV₂的能量自回收链路

UAV₂发送至UAV₁的能量传输链路

(c)第三类是WIT链路，图3中的示例为

由最优中继UAV₁遵循AF转发协议将信息转发至BS。

本实施例的能量收集采用的是PS策略，即整个完整的信号传输分为两段等长的时间。上标带有(1)的链路(如

)是指在第一阶段完成的传输，上标带有(2)的链路(如

)是指在EH场景中第二阶段完成的传输，结合中继系统，其二阶段只包括由UAV₁至基站的信号传输。对于无人机，如图3所示，在收发机设计中，EH以及IP可以以不同的比例分配至不同的天线，能量收集模块与信息传输模块在上述模型中不会互相影响。无人机的收端两根天线分别单独负责能量、信息接收，其余各端均配置单天线。将信道

建模成时隙内保持不变但是随时隙变化的衰落信道，可以认为模型中由无人机运动带来的多普勒效应可以被完全补偿。

因此，信道功率增益可以建模为

其中β₀为参考距离d₀＝1m处的信道功率损耗。

分别为运动过程中信源与第i台无人机之间的距离及第i台无人机与BS之间的端到端距离函数，与运动时间t相关，可以在坐标系中根据信源及无人机不同的运动轨迹灵活计算。

由于上述信道建模与t相关，因此将整个运动过程等分为N个时隙周期T，即总运动时间为NT，在每个周期T内都要进行能量收集、中继选择、能量协同三个过程，下面将从这三个过程进行说明并附上相应的传输信号表达式。

图5直观地展示了连续几个时隙内本方案的信号及能量传输过程。在运动开始前，将两台无人机初始的功率分流比都设置为θ_ini，在后续的传输过程中将灵活地调整该值。以当前时隙nT(1≤n≤N,n∈N⁺)为例，在上一个切换周期(n-1)T中，两台无人机分别承担能量中继与信息中继的角色，信息中继具有当前周期内使得系统吞吐量最大的最优功率分流比θ_opt[n-1]。在进入nT前，信息中继保持前一周期的功率分流比，能量中继则将功率分流比设置为θ_ini。在此条件下，进行两条独立链路的SWIPT以及中继转发，在当前功率分流比下得到各自中继转发链路的SNR_i，由此指标的相对大小，判断在nT传输周期内，是否需要进行中继角色的切换。完成信息中继与能量中继的选择后，进行如同图4所示的带有能量协同的信息传输，并调整信息中继的功率分流比θ_opt[n]，使此周期内的吞吐量最大。此周期内能量中继的功率分流比置为固定值θ_e，由于其作用是从源端收集尽可能多的能量，并将多余能量传输给信息中继，因此有θ_e→1。调整后的θ_opt[n]将作为(n+1)T周期的功率分流比初始值，用于判断下个传输周期内两台无人机的传输角色。在基于时隙的中继选择与切换方案中，能量中继记为R_e，信息中继记为R_opt。

Ⅰ、能量收集与中继选择过程

由于中继选择时刻不存在能量协同，如图6所示，在每个时隙T内遵循AF准则进行两跳信号传输，θ_i为两台无人机的功率分流比，即对于源端发射的功率P_S，以θ_i的比例进行能量收集并保存在无人机中，1-θ_i的比例完成源到各无人机的信号传输，η(0＜η＜1)为能量收集效率。在传输时隙T内，第一跳的SWIPT与第二跳的IP各占用T/2。

在前T/2内，第一跳信号传输表达式为：

其中

表示均值为0，方差为

的加性高斯白噪声。

各无人机中继收集到的能量：

在后T/2内，对于每个无人机的中继信号转发功率有：

对于第二跳的信息传输，有：

当采用AF时，放大系数定义为：

将(4-5)代入(4-4)后可以得到：

由此，对两条链路的信噪比有如下表达式：

此时可以将SNR_i大小作为中继选择的参考，进而选取出信道传输条件最好的一条中继链路，从而进行能量中继以及信息中继的角色分配。若在前一个周期(n-1)T内，UAV₁为信息中继R_opt，UAV₂为能量中继R_e。在当前周期nT开始时进行选择，有θ₁＝θ_opt[n-1]，θ₂＝θ_ini，将当前时刻的端到端距离以及两台无人机的功率分流比代入(4-7)。若计算后SNR₁＞SNR₂，则保持UAV₁→R_opt，UAV₂→R_e。判决后，在当前周期内，令θ₂＝θ_e,θ₁＝θ_opt[n]并根据后文的能量协同方案进行优化调整。反之，如果有SNR₁<SNR₂，则切换至UAV₁→R_e，UAV₂→R_opt，此时令θ₁＝θ_e,θ₂＝θ_opt[n]并同样根据能量协同方案进行优化调整。

若在前一周期(n-1)T内，UAV₂为信息中继R_opt，UAV₁为能量中继R_e，那么在当前周期nT开始时进行选择，有θ₂＝θ_opt[n-1]，θ₁＝θ_ini，计算此时的SNR₁与SNR₂。如果计算后有SNR₂＞SNR₁，则保持UAV₂→R_opt，UAV₁→R_e。判决后在当前周期内，令θ₁＝θ_e，而θ₂＝θ_opt[n]根据能量协同方案进行优化调整。若有SNR₂<SNR₁，则切换至UAV₂→R_e，UAV₁→R_opt，在当前周期内令θ₂＝θ_e，而θ₁＝θ_opt[n]同理进行优化调整。

完成选择后，每个周期内，此能量协同无人机中继系统的吞吐量表达式为：

Ⅱ、能量协同过程

如图7所示，在完成中继选择之后，此双无人机中继系统进行具有能量收集并在无人机间进行能量协同的两跳中继传输。具体的，在前T/2内，对于源端的发射功率，R_opt以θ_opt的比例进行EH，(1-θ_opt)的比例用于第一跳的IP。而对于R_e，EH过程中的功率分流比为θ_e，此时来自源端的信号可以看做是带有能量，不具备特殊意义的伪随机序列，且有θ_e→1，在第二跳不再进行信号的转发。对于此时R_e，由源端进行WET：

其中来自源端的信号能量x₀满足E(|x₀|²)＝θ_eP_S。与此同时，由能量中继R_e对传输中继R_opt进行能量协作。此时由能量中继自身发出来的能量信号对于R_opt也可以当做含有能量的伪随机序列，用于增加R_opt的传输功率，对有用信号本身无影响。

由于R_e自身存在同频收发的问题，因此其在进行EC时会对自身的信号进行回收，由于此类信号的作用是传输能量，此时能量中继也不对源端信号进行转发，则R_e的收发机通过自环路信道对发出的能量信号进行回收(Energy Recycling，ER)。硬件允许的条件下，能量中继在前T/2内既从信源进行能量收集，又可以在保证正常运行的同时，将额外的能量信号传输给R_opt，其传输功率记为

此时能量中继R_e的接收信号为：

其中

为能量中继的自环路(回收)信道。能量信号s_e满足

而此时R_opt的能量收集分为两部分：

(4-11)表示从源端收集的能量，(4-12)中能量中继R_e将从源端收集到的能量再释放给R_opt以增强转发功率。空对空链路增益

设置为β_a2a。R_e对R_opt以传自己特定的信号s_e的形式进行充电，即能量的传输。q(0＜q＜1)是R_e的能量自回收系数，即只有1-q比例的能量可以由能量协同链路传输，而q比例的能量将回收至能量储存装置，并用于下一个周期的信号或能量传输。自回收信号表达式为：

由此，R_opt总共收集到的能量为：

在每个时隙的后T/2内，信息中继到终端的信号传输表达式为：

可知两台无人机中继从信源处收集能量，用以自身正常运行的推进消耗以及第二跳的信号转发，此外，能量中继还需向信息中继传递能量。因此，两台无人机中继的能量储存在整个运动中是动态变化的，图8、图9将直观展示传输过程涉及的能量变化。

图8所展示的是连续时隙内信息中继的能量变化示意图。E[n-1]代表上一个时隙信号传输后此中继的剩余能量。E[n+1]代表经历过当前nT时隙信号传输后的剩余能量，同时也作为下一个时隙开始的初始能量。在当前时隙内，信息中继的能量

分为三个部分：第一部分为无人机在匀速运动情况下固定消耗的推进能量E_p(此时一般是定值)；第二部分为预留能量E_remain，是为了应对硬件上的突发情况必须保留的能量，无论哪个时隙，这部分能量在信息传输过程中都不会使用，在后续的计算中由于每个时隙其值都保持不变，因此其不计入能量变化的过程；第三部分为在上一个时隙剩余能量的基础上，信息中继收集到来自信源和信息中继的能量

后，再扣除此时隙需要消耗的推进能量E_p及必须保留的E_remain后剩余的能量，此部分能量便可以用于第二跳信号转发。由上述能量变化可以得到当前时隙信息中继的转发功率应满足：

其中E_re代表上个时隙自回收的那一部分能量，其取值有两种情况。当此信息中继在上一个时隙扮演角色也为信息中继时，不存在能量传递和能量回收，此时E_re＝0，即剩余能量E[n-1]＝0。若此信息中继在上一个时隙扮演角色为能量中继，在上个时隙内的能量协同过程中存在能量自回收的情况，此时E_re可由(4-13)进行计算，即E_re＝E[n-1]且不为0。

对于R_e，在整个当前时隙T内，其能量变化由图9展示：

在当前时隙中，能量中继R_e也会从源端收集能量，其表达式为：

能量中继的能量组成

与信息中继存在差异，具体分为四个部分：第一部分为推进消耗的固定能量E_p；第二部分为固有保留能量E_remain(仍不使用且不参与计算)；第三部分为在上一个时隙剩余能量E[n-1]基础上，叠加从源端收集到的能量

扣除E_p及E_remain后剩余的能量，此部分能量只有1-q的比例可以传输给信息中继；第四部分为能量中继在传输第三部分能量时由于同频收发造成的能量自回收EH_re，自回收比例为q，如(4-13)所示，回收的能量将注入能量储存器中供下一个时隙使用。

由此可以得到能量中继在上述过程中需要满足：

(4-18)与(4-19)中的E_re含义与(4-16)相同。若此能量中继在上个时隙所扮演的角色为信息中继，那么在上个时隙的信息传输过程中就不存在能量自回收，即E_re＝E[n-1]＝0。若此能量中继在上个时隙所扮演的角色仍然为能量中继，那么此时隙就可以使用上个时隙自回收的能量，即E_re＝E[n-1]且不为0。

进行优化目标函数及求解：

将(4-15)代入(4-7)，(4-8)，并以

替换

即可计算双无人机中继能量协同方案在每个周期T的吞吐量。由于两台无人机的角色在不同周期是可能会切换的，且每个周期只有一台无人机会完成中继第二跳的信息传输，因此，考虑时长为NT的运动过程，两台无人机发生了若干次信息中继与能量中继的角色交换，定义一个二值函数c:

优化问题以及对应的限制条件如下：

其中

与

分别对应UAV₁与UAV₂作为信息中继时，整个系统的信噪比。

由于c的二值性，难以求出c,θ_opt的联合最优解。但由于c本身具有实际意义，即不同周期内两台无人机的角色，在本周期内此值保持不变。因此，可以通过在运动开始时赋予c一个初始值，并在每个切换周期T开始前，根据上一周期两台无人机各自的SNR_i大小，按照中继选择方案，判定其在下一个周期是否需要进行角色切换，判决后会给定一个新的c值。由此，优化目标转变为在每个单独的T周期内，固定两台无人机的角色，并以此周期内的吞吐量最大化为目标，求出信息中继的功率分流比θ_opt的值。此时的优化问题P1转化为P2，即对于第n个周期T，有：

在第一个T开始前，赋予两台无人机的功率分流比θ₁,θ₂的初值均为θ_ini。对于优化目标P2，可以等同于最大化SNR_opt[n]，而根据实际意义，对信息中继而言，在满足自身运行需求以及预留能量的情况下，尽量地把剩余所有能量用于第二跳的中继转发，从而提高系统的吞吐量，即条件C1应取等式，而C2作为C1的一部分也应取等式，代表能量中继把所有可用能量全部传输给信息中继。此时有：

在(4-24)中，

与

代表上一个时隙内，能量中继的环路自回收的能量，根据上个时隙两台无人机的不同角色，这两个参数在同一个时隙内必有一个为0。若此时隙选出来的信息中继无人机R_opt，在上个时隙中扮演的是能量中继的角色，则在此时隙，这两个参数的表达式为：

反之，若此时隙的R_opt在上个时隙中扮演的是信息中继的角色，则在此时隙，这两个参数的表达式为：

对于R_e，此时隙自回收的能量注入下一个时隙的能量储存器中。自回收的能量根据所在无人机的前后两个时隙内的角色切换有两类不同的用途：当此无人机下一时隙需要成为能量中继时，此部分能量注入并参与能量协同；当此无人机下一时隙需要成为信息中继时，此部分能量全部注入下一时隙的第二跳信息转发能量中。

根据上述分析，此时，每个时隙的目标函数成为一个有限取值区间内，关于θ_opt[n]的单值函数。优化问题P2转化为P3：

(4-27)可以利用Matlab软件的fminbnd函数求解SNR_opt[n[的最大值以及对应的最优功率分流比θ_opt[n]。对于整个运动过程的平均吞吐量Γ，有：

根据上文的系统模型以及优化目标函数的分析，本发明实施例所提出具有能量收集的双无人机能量协同传输方案(实例仿真中简称EH-EC)流程遵循以下流程：

(a)在初始T开始时，给定初始化后的两台无人机各自的功率分流比θ_ini。

(b)根据中继选择、切换标准计算SNR_i,选出第一个T内的R_opt与R_e。

(c)确定无人机角色后，将能量中继的功率分流比设置为θ_e，进行能量收集、中继传输与能量协同，并以最大化(4-23)为目标求解第一个T的θ_opt。

(d)第一个T结束后，将R_opt的功率分流比设置为θ_opt，R_e的功率分流比设置为θ_ini，并将这两个参数设置为2T的选择、切换判决初始值。

(e)根据(d)中的两个功率分流比计算SNR_i，选出2T内的R_opt与R_e。

(f)重复(c)，进入2T的传输与求解；根据(d)和(e)得到3T的中继角色，进行后续周期nT内的传输、求解。

在本实施例中，需要说明的是，基于图5模型分析、计算得到的优化目标函数，即：

θ_opt,c

C3:θ_opt∈(0,1)

以及化简后的目标函数：

其中有

并利用Matlab软件的fminbnd函数求解每个时隙内的SNR_opt[n]的最大值以及对应的最优功率分流比θ_opt[n]。

根据不同的运动场景，在无人机接收机的功率分流模块可以进行两种设计：i.如果运动场景多变或难以预测，则基于图5模型分析、计算得到的优化目标函数，设置对应的程序，在运动过程中完成功率分流比的实时调整，需要消耗更多的信令。ii.如果运动场景固定或易于预测，可以基于图5模型分析、计算得到的优化目标函数，提前完成每个时刻功率分流比的计算，并得到形如实例中提供的数值表3，通过缓存技术设置到接收机中，此时则不需要消耗信令。

由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于运动信源的无人机能量协同传输方法，通过将信息传输运动过程分为N个时隙周期；在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比，并按调整后功率分流比进行由运动信源至终端的两跳信息传输。本实施例通过能量收集技术以及无人机组内部的能量协同方案，解决无人机中继储能、续航受限的问题，并通过灵活调整无人机的角色以及其接收机的功率分流比，以应对信源运动带来的信道时变问题，进而达到最大化系统吞吐量的目的。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，还包括：

在每个时隙周期内进行能量收集、中继选择、能量协同过程；

相应地，在第n-1个时隙周期进入第n个时隙周期时，基于当前第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量，判断在第n个时隙周期内是否需要进行中继切换；确定第n个时隙周期内的信息中继和能量中继；其中，1≤n≤N。

由上面技术方案可知，本发明实施例提供的基于运动信源的无人机能量协同传输方法，在无人机组从运动信源处进行能量收集以外，还额外进行无人机间的能量交互(能量协同)，并通过完成中继选择、角色切换以提高运动过程中系统的吞吐量。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，，还包括：

在确定第n个时隙周期内的信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并在调整后将与信息中继对应的无人机功率分流比作为此无人机在第n+1个时隙周期内的功率分流比初始值，与能量中继对应的无人机功率分流比在第n+1个时隙周期内的功率分流比初始值为预设给定值θ_ini，用于判断在第n+1个时隙周期内是否需要进行中继切换。

在上述实施例的基础上，在本实施例中，，包括：

信息中继以功率分流比θ的比例进行能量收集；

相应地，信息中继以1-θ的比例用于第一跳信息传输。

为了更好的理解本发明，下面进一步结合实施例阐述本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例：

应用实例与仿真

(1)应用场景

如图10所示，将信源的初始位置在坐标系中设置为(0,0,0)，而远端的基站BS的位置为(2L,0,0)，由于需要使用无人机中继的场景往往是信源与终端相距较远且不存在直连链路，因此本实例中也只考虑中继传输链路，且只考虑X轴上0～L间的运动情况。信源能量充足，这类信源可以是移动的军事母舰，也可以是偏远地区运动的能源车等。两台无人机作为中继辅助通信，并且其运行轨道为环形轨道。

在坐标系中，两台无人机的轨迹是圆心为(L/2,0,H)，半径为r的圆环，两台无人机各自从自身的初始位置，沿所示的圆形轨迹以V_u的速度匀速运动。方块槽表示两台无人机实时的能量储备情况。在运动过程中，两台无人机分别从信源处收集能量，并执行各自能量/信息中继的角色进行能量协作，最后将信号转发至BS。

假设初始场景下，两台无人机在圆形轨迹中的初始相位分别为φ₁,φ₂，则在图5中两台无人机的初始坐标分别为

在上述的运动轨迹下，可以计算得到端到端的距离函数为：

(2)与场景对应的仿真

如表2所示，此实例中将L设置为500m，信源的速度为V_s＝10m/s，因此整个运动过程持续时间为50s，为了保证足够的数据点，将上文的时隙周期T设置为1s。无人机飞行高度为H＝50m，匀速飞行的速度为V_u＝20m/s，飞行半径为r＝L/4。参考距离d₀＝1m时的信道功率增益设置为β₀＝-50dB，两台无人机间的空对空链路信道增益设置为β_a2a＝10dB，噪声功率设置为σ²＝-83dBm，信源的发射功率设为P_S＝40dBm，信道建模时端到端距离以km为单位。两台无人机初始相位φ₁＝0,φ₂＝π。

而对于无人机的收发机，两台无人机的初始功率分流比设置为θ_ini＝0.5，能量中继的功率分流比设置为θ_e＝0.95。两台无人机从信源处进行能量收集的效率为η＝0.9，能量中继进行能量协同时，自回收系数为q＝0.1。由两台无人机的初始位置可以计算得到初始时刻UAV₁为信息中继，UAV₂为能量中继。此外，无人机每个时隙内固定消耗的推进能量为固定值E_p，此实例将其设置为UAV₁在初始运动位置和θ_ini＝0.5的前提下，时间T内从信源处收集到的能量(可以由(4-11)计算)的一部分，其比例因子为α＝0.1(0＜α＜1)，并在整个运动过程中保持不变。实际应用时可参考具体无人机的功率消耗情况从而对E_p进行合理的设置。

表2 EH-EC双无人机系统仿真参数表

系统参数	取值
		信源运动距离	L＝500m
时隙	T＝1s
		无人机飞行高度	H＝50m
无人机飞行半径	r＝L/4
		无人机飞行速度	V<sub>u</sub>＝20m/s
信源运动速度	V<sub>s</sub>＝10m/s
		运动时间	t<sub>total</sub>＝50s
初始功率分流比	θ<sub>ini</sub>＝0.5
		能量中继功率分流比	θ<sub>e</sub>＝0.95
参考距离d<sub>0</sub>＝1m时的信道功率增益	β<sub>0</sub>＝-50dB
		a2a链路的信道功率增益	β<sub>a2a</sub>＝10dB
噪声功率	σ<sup>2</sup>＝-83dBm
		E<sub>p</sub>中的比例因子	α＝0.1
无人机能量收集效率	η＝0.9
		能量自回收系数	q＝0.1

在上述场景以及设置的初始条件下，对应用本发明的系统瞬时及平均吞吐量进行了仿真，并与参考方案进行了对比。对比方案中两台无人机只从信源处收集能量，并且互相不进行能量协同(即本发明所提出的流程)，由此在运动过程中，两台无人机的功率分流比也不进行调整，统一固定为0.3/0.5/0.7。

本发明的EH-EC方案与对比方案的瞬时吞吐量如图11所示，从图11中可以看出，相较于不进行EC且不对θ进行调整的对比方案(θ＝0.3/0.5/0.7分别对应的圆形对应的曲线、五角形对应的曲线、矩形对应的曲线)，本发明所提EH-EC方案(三角形对应的曲线)在运动过程中的每个时刻，都使得此实例取得了更高的瞬时吞吐量，提升了此系统的信号传输质量。

一段时间内的平均吞吐量也是判决一个通信系统信号传输质量好坏的重要指标，图12仿真对比了本发明所提方案与参考方案的平均吞吐量性能。

图12展示了随着信源发射功率变化，EH-EC方案与对比方案在不同P_S下整个运动过程的平均吞吐量。可以看到所有方案的平均吞吐量都随着信源功率的增加得到提升，且在任一P_S下，本发明所述EH-EC方案(三角形对应的曲线)都能较对比方案取得更好的平均吞吐量性能，说明了本发明具有一定的优越性。

在本实例中，由于本发明的两台无人机间存在中继选择与功率分流比的调整，将每个时隙周期进行中继选择与角色切换标志(Switching Flag，SF)定义为：SF＝1时，表示当前时隙内UAV₁为信息中继，UAV₂为能量中继；SF＝0时，则当前时隙内UAV₁为能量中继，UAV₂为信息中继。一般来说，由于时隙取值相对较小，而角色切换的实现需要信令的指示，因此运动过程中不宜有太多次的角色切换，本实例的双无人机角色切换示意图，参见图13；由图13可以看出，在本实例的50个时隙(即50次中继角色选择过程)中，一共发生了3次角色切换，分别发生在20s，第24s及第40s，对应UAV₁在0～19s，24～39s的两段时间内充当信息中继，而剩余时间充当能量中继，而UAV₂则在20～23s，40～50s的两段时间内充当信息中继，而其余时间充当能量中继。若一直不进行角色切换，能量中继会由于同频收发自回收的原因，始终无法完全将能量传输给信息中继，即无法完全利用从源端收集到的能量，而切换成信息中继便能将其完全使用。但角色切换次数过多，信令消耗也会更多，可能会存在时延从而影响实际性能，且对无人机的相关程序设计会有更大的挑战，本实例中的3次角色切换频率相对适中，因此取得了较好的性能。

相应地，50个时隙就会对应50次的信息中继功率分流比θ_opt[n]的调整，表3列出了此实例运动过程中每个时隙内两台无人机的功率分流比的取值，更直观地展示了本发明所提方案对运动的信源具有良好的适应能力。

表3运动过程中两台无人机的功率分流比时刻表

其中每个时隙内加粗的数值就是经过本发明所提方案求解(4-27)所得到的每个时隙内信息中继的最优功率分流比θ_opt[n]，对应时刻的能量中继功率分流比都为0.95。从表中加粗的数值可以看出角色发生了3次切换，与图13对应。

表格中形如X^e-n的数值表示X·10^-n，其数值非常接近于0，与常用的功率分流比相差了若干数量级。由于这些数值是由计算机函数计算得出，其值趋于0时表明在该时隙，信息中继基本不需要从信源处收集能量，而是将源端的功率几乎全部用于第一跳信号的传输。而此时仅需要能量中继向信息中继输送能量，即可维持信息中继的推进消耗，同时进行第二跳的信号转发并取得此时隙内的最大吞吐量。因此在进行实际的无人机接收机设计时，如果内嵌了本方案的计算程序与函数，则可按照表3给出的数值进行设置；也可以简化地将这一类数值设置为0(设备允许)或一个统一的趋于0的数值M从而方便管理。

此外，从表格和上述分析中可以看出θ_opt[n]会根据运动情况灵活调整，对信源运动的场景具有良好的适应性。进一步的，当其应用于固定轨迹的场景时，可以提前计算相应时刻的功率分流比，通过缓存技术在无人机处进行设置，从而不需要调整功率分流比时的信令消耗。

综上所述，本发明在传统的从信源或外部源处进行能量收集的基础上，额外考虑到无人机中继间的能量协同。由于信源的运动，中继两跳系统的信道质量会时刻发生改变，两台无人机都进行正常转发并不一定能取得最好的系统性能。而本发明通过合理的中继选择分配两台无人机中继的角色，并由信道质量差的无人机承担能量中继的角色，通过无线能量传输给信道质量好的另一台无人机提供额外的能量，最后由信息中继完成信号的转发，这种方案可以更高效地利用从源端收集到的能量。结合信源运动轨迹得到时变信道函数，并基于EH-EC方案推导得到双无人机辅助运动信源的场景下的吞吐量函数。

结合可以灵活移植的函数计算工具，可以得到每个时隙内每台无人机中继最佳的功率分流比。对于信源不同的运动轨迹，都可以根据本发明的方案进行计算，并得到契合该运动轨迹的最合适的一组功率分流比数值，并取得较固定功率分流比的传统方案更高的吞吐量，对信源的运动具有较好的适应性。当信源的运动轨迹较为固定时，可以基于此方案提前得到功率分流比数值表，并缓存至无人机的接收机中，可以有效节约信令的开销。

图14为本发明一实施例提供的基于运动信源的无人机能量协同传输装置的结构示意图，如图14所示，该装置包括：第一模块1401、第二模块1402和第三模块1403，其中：

其中，第一模块1401，用于将信息传输运动过程分为N个时隙周期；N为正整数；

第二模块1402，用于在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；其中，所述转发质量的参考指标为信噪比；与所述信息中继对应的无人机中继信号转发质量高于与所述能量中继对应的无人机中继信号转发质量；

第三模块1403，用于在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并按调整后功率分流比θ进行由运动信源至终端的两跳信息传输；其中，0＜θ＜1，设置与所述能量中继对应的无人机进行能量收集、中继传输与能量协同；设置与所述信息中继对应的无人机接收与所述能量中继对应的无人机的能量，并由与所述信息中继对应的无人机完成第二跳信息传输。

本发明实施例提供的基于运动信源的无人机能量协同传输装置具体可以用于执行上述实施例的基于运动信源的无人机能量协同传输方法，其技术原理和有益效果类似，具体可参见上述实施例，此处不再赘述。

基于相同的发明构思，本发明实施例提供一种电子设备，参见图15，电子设备具体包括如下内容：处理器1501、通信接口1503、存储器1502和通信总线1504；

其中，处理器1501、通信接口1503、存储器1502通过通信总线1504完成相互间的通信；通信接口1503用于实现各建模软件及智能制造装备模块库等相关设备之间的信息传输；处理器1501用于调用存储器1502中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例所提供的方法，例如，处理器执行计算机程序时实现下述步骤：将信息传输运动过程分为N个时隙周期；N为正整数；在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；其中，所述转发质量的参考指标为信噪比；与所述信息中继对应的无人机中继信号转发质量高于与所述能量中继对应的无人机中继信号转发质量；在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并按调整后功率分流比θ进行由运动信源至终端的两跳信息传输；其中，0＜θ＜1，设置与所述能量中继对应的无人机进行能量收集、中继传输与能量协同；设置与所述信息中继对应的无人机接收与所述能量中继对应的无人机的能量，并由与所述信息中继对应的无人机完成第二跳信息传输。

基于相同的发明构思，本发明又一实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法实施例提供的方法，例如，将信息传输运动过程分为N个时隙周期；N为正整数；在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；其中，所述转发质量的参考指标为信噪比；与所述信息中继对应的无人机中继信号转发质量高于与所述能量中继对应的无人机中继信号转发质量；在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并按调整后功率分流比θ进行由运动信源至终端的两跳信息传输；其中，0＜θ＜1，设置与所述能量中继对应的无人机进行能量收集、中继传输与能量协同；设置与所述信息中继对应的无人机接收与所述能量中继对应的无人机的能量，并由与所述信息中继对应的无人机完成第二跳信息传输。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于运动信源的无人机能量协同传输方法，其特征在于，包括：

将信息传输运动过程分为N个时隙周期；N为正整数；

在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；其中，所述转发质量的参考指标为信噪比；与所述信息中继对应的无人机中继信号转发质量高于与所述能量中继对应的无人机中继信号转发质量；

在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并按调整后功率分流比θ进行由运动信源至终端的两跳信息传输；其中，0＜θ＜1，设置与所述能量中继对应的无人机进行能量收集、中继传输与能量协同；设置与所述信息中继对应的无人机接收与所述能量中继对应的无人机的能量，并由与所述信息中继对应的无人机完成第二跳信息传输。

2.根据权利要求1所述的基于运动信源的无人机能量协同传输方法，其特征在于，还包括：

在每个时隙周期内进行能量收集、中继选择、能量协同过程；

相应地，在第n-1个时隙周期进入第n个时隙周期时，基于当前第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量，判断在第n个时隙周期内是否需要进行中继切换；确定第n个时隙周期内的信息中继和能量中继；其中，1≤n≤N。

3.根据权利要求2所述的基于运动信源的无人机能量协同传输方法，其特征在于，还包括：

在确定第n个时隙周期内的信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并在调整后将与信息中继对应的无人机功率分流比作为此无人机在第n+1个时隙周期内的功率分流比初始值，与能量中继对应的无人机功率分流比在第n+1个时隙周期内的功率分流比初始值为预设给定值θ_ini，用于判断在第n+1个时隙周期内是否需要进行中继切换。

4.根据权利要求3所述的基于运动信源的无人机能量协同传输方法，其特征在于，包括：

信息中继以功率分流比θ的比例进行能量收集；

相应地，信息中继以1-θ的比例用于第一跳信息传输。

5.一种基于运动信源的无人机能量协同传输装置，其特征在于，包括：

第一模块，用于将信息传输运动过程分为N个时隙周期；N为正整数；

第二模块，用于在时隙周期内，基于第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量进行中继选择确定信息中继和能量中继；其中，所述转发质量的参考指标为信噪比；与所述信息中继对应的无人机中继信号转发质量高于与所述能量中继对应的无人机中继信号转发质量；

第三模块，用于在确定信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并按调整后功率分流比θ进行由运动信源至终端的两跳信息传输；其中，0＜θ＜1，设置与所述能量中继对应的无人机进行能量收集、中继传输与能量协同；设置与所述信息中继对应的无人机接收与所述能量中继对应的无人机的能量，并由与所述信息中继对应的无人机完成第二跳信息传输。

6.根据权利要求5所述的基于运动信源的无人机能量协同传输装置，其特征在于，还包括：第四模块，

用于在每个时隙周期内进行能量收集、中继选择、能量协同过程；

相应地，在第n-1个时隙周期进入第n个时隙周期时，基于当前第一无人机中继信号转发质量和第二无人机中继信号转发质量，判断在第n个时隙周期内是否需要进行中继切换；确定第n个时隙周期内的信息中继和能量中继；其中，1≤n≤N。

7.根据权利要求6所述的基于运动信源的无人机能量协同传输装置，其特征在于，还包括：第五模块，

用于在确定第n个时隙周期内的信息中继和能量中继后调整第一无人机和第二无人机的功率分流比θ，并在调整后将与信息中继对应的无人机功率分流比作为此无人机在第n+1个时隙周期内的功率分流比初始值，与能量中继对应的无人机功率分流比在第n+1个时隙周期内的功率分流比初始值为预设给定值θ_ini，用于判断在第n+1个时隙周期内是否需要进行中继切换。

8.根据权利要求7所述的基于运动信源的无人机能量协同传输装置，其特征在于，包括：第六模块，

用于信息中继以功率分流比θ的比例进行能量收集；

相应地，信息中继以1-θ的比例用于第一跳信息传输。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～4任一项所述的基于运动信源的无人机能量协同传输方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～4任一项所述的基于运动信源的无人机能量协同传输方法。

Images