CN113596854A - 一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法，包括：用户发出通信需求指令,中心控制站接收到用户指令后派出自主移动无人设施作为中继协助通信；建立通信链路，计算通信信道和可达速率；建立通信资源分配优化问题，确定最优的通信资源分配方案；建立基于自主移动中继辅助的无线通信系统的动力学模型以及避障模型，随后建立自主移动中继轨迹优化问题，确定自主移动中继的最优轨迹；建立联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法；自主移动中继按照传输方法为用户提供通信服务，在满足用户的通信需求后，返回最近的停靠点回收。

Description

一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法。

背景技术

第六代(6th generation wireless systems,6G)技术的研究最近开展，旨在将广域覆盖网络集成到空-天-地网络中，构成空天地海一体化通信，实现全维无线覆盖和智能信息社会。6G网络预计将提供数Tb/s的峰值数据速率，以及相较于5G十倍的连接密度。在6G时代，人类活动将从地面大幅扩展到广域覆盖场景。虽然广域覆盖上可以支持的数据速率已经接近几MB/s，但目前的无线通信系统的通信能力仍然不能满足6G对泛在连通性和广泛覆盖的要求。

在传统无线通信系统中，中继是一种用于提高通信系统吞吐量和链路可靠性的有效技术。然而，由于实际的一些限制，例如有限的节点移动性和回程容量，大多数现有的中继技术基于部署在固定位置的中继，或者静态中继。对于广域覆盖以及超规模连接，静态中继无法自适应调整信道状态来满足动态的用户拓扑和紧急通信的需求。此外，在远离静态中继的区域中，将会产生通信空洞和很大的通信延迟。

目前，现有静态中继系统存在以下本质上差别：

1、未能实现灵活、易部署的通信服务，且成本效益低；

2、未能解决广域覆盖需求下通信距离大、延迟大的问题，无法提供延时容忍应用服务。

3、回传链路容量有限，并且受限于地理位置，难以向动态用户提供高速传输服务。

4、未能考虑自主移动中继辅助的无线通信方法，即利用自主移动中继作为中继，建立陆地基站与偏远用户的通信链路，达到提升传输速率和覆盖范围的效果；

因此现有的静态中继无线通信传输方式存在覆盖范围有限、维护成本大、难以适应广域覆盖环境和通信时延长的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法，以解决扩展无线通信覆盖范围和增大传输速率的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法，该方法针对广域覆盖无线通信系统中的长距离宽带通信场景(但不局限于该场景)，基于自主移动中继(包括无人机、无人船、无人车等)辅助的广域覆盖高速通信方法，可以通过中心控制站(Central controlstation， CCS)发送控制信令,部署自主移动中继作为通信中继，建立地面基站(Terrestrial Base Station TBS)与用户(User Equipment,UE)之间的无线通信链路。

包括如下步骤：

步骤S1、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤S2、根据步骤S1中的相关信息，计算无线通信信道，建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，随后基于该信道模型建立基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型以及传输速率；

步骤S3、根据S2得到的通信传输模型设定通信资源策略，建立通信资源分配优化问题，然后对该通信资源分配优化问题的目标函数进行处理后，采用通信资源分配算法进行迭代求解，得到最优的基站传输功率、自主移动中继传输功率以及自主移动中继带宽分配因子，最终确定最优的通信资源分配方案；

步骤S4、建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的动力学模型以及安全避障模型，随后建立自主移动中继轨迹优化问题，并将轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用自主移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得到自主移动中继的最优轨迹；

步骤S5、建立联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S3 中的通信资源分配算法和步骤S4中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法；

步骤S6、自主移动中继按照步骤S5中设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，为用户提供通信服务，在满足用户的通信需求后，返回最近的停靠点回收，结束任务。

进一步的，所述用户的相关信息包括：用户信息、通信服务的类型、请求时间、通信需求数据量、用户坐标以及历史运动轨迹；其中，所述用户信息包括：速度、天线高度和最大功率。

进一步的，所述步骤S1具体包括：

步骤S101、用户根据自身的坐标和所处的地区，选择最近的中心控制站发送该用户的通信需求指令；

步骤S102、中心控制站接收到该用户的通信需求指令，再通过全球定位系统获取该用户的相关信息。

进一步的，所述步骤S2具体包括：

步骤S201、首先采用时间范围离散化的方法，将整个自主移动中继任务时间长度T离散成为N个等间隔的时隙，表达式为T＝Nδ_t，其中δ_t表示为时隙，在每一个所述的时隙中，将所述自主移动中继的运动视为恒定，因此，所述自主移动中继的坐标近似为N个长度的序列

其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下自主移动中继的横坐标，纵坐标以及天线高度；第m个用户的坐标也近似成N个长度的序列

其中x_s,m[n]，y_s,m[n]和h_s,m[n]分别表示第n个时隙下用户的横坐标、纵坐标以天线高度；地面基站假设位于原点，坐标表示为w_b＝[0,0,h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度；

步骤S202、计算在时隙n时，地面基站到自主移动中继的通信链路距离

以及自主移动中继到用户m的通信链路距离

其中，w_b表示地面基站的二维坐标；

步骤S203、基于步骤S202得到的链路距离，建立所述基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，以两径信道为例，首先考虑直达信号和通过反射的信号，建立信道模型；接着根据第n个时隙的通信链路距离，分别计算对应时隙下的地面基站到自主移动中继的信道h_bu，以及自主移动中继到用户m的信道h_us,m，表达式为：

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s,m分别表示基站、自主移动中继和用户m的天线高度；

步骤S204、基于步骤S203得到的信道模型，建立所述地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型，具体包括：根据步骤S202以及步骤S203获得的通信链路距离以及信道模型，地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别表示为：

其中，R_bu[n]表示为地面基站到自主移动中继在时隙n的信号传输速率，h_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到自主移动中继的信道，B表示总带宽，N₀表示噪声功率，p_bu[n]表示为在时隙n时，地面基站的发送功率，R_us,m[n]表示为自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_us,m[n]表示在时隙n时，自主移动中继到用户m的信道，p_us,m[n]表示为在时隙 n时，自主移动中继的发送功率，a_m[n]表示为在时隙n时，带宽分配因子；

步骤S205、采用两径信道近似方法简化所述步骤S204中得到的信号传输速率，将地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别简化为：

其中，两径信道近似方法是通过将两径信道中的sin(x)函数近似为内部参数x。

进一步的，所述步骤S3具体包括：

步骤S301、建立通信资源分配优化问题，具体包括：

首先，建立以最大化最小用户在N个时隙下的期望用户吞吐量E{R_us,m[n]}为优化目标的通信资源分配优化问题；

然后，建立相关的约束条件，包括：

地面基站的传输功率小于最大传输基站功率

的约束；

自主移动中继传输总功率小于最大自主移动中继功率

的的约束；

带宽分配因子约束a_m[n]的约束，具体为：0≤a_m[n]≤1；

步骤S302、将S301建立的通信资源分配优化问题转化为易于处理的形式，具体包括：

处理非凸的目标函数E{R_us,m[n]}，引入辅助变量

替换目标函数，同时引入新约束γ_m≤E{R_us,m[n]}，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立通信资源分配优化问题；

步骤S303、加载通信资源分配算法，具体包括：

首先，输入相关参数以及自主移动中继的轨迹；

然后，利用内点法求解步骤S302转化后的通信资源分配优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站传输功率

自主移动中继传输功率

以及自主移动中继带宽分配因子

进一步的，所述步骤S4具体包括：

步骤S401、首先考虑自主移动中继的机动性会受到外部因素的影响，例如风、水流等等，计算自主移动中继的对流速度为V＝V_u+v_o，其中V_u和v_o分布表示自主移动中继的推进速度和外部介质的速度；

步骤S402、建立所述自主移动中继辅助的广域覆盖无线系统的动力学模型，具体包括：运动约束和偏转约束，所述运动约束为V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中，V_min表示自主移动中继的最小失速速度，V_max表示自主移动中继的最大速度，V_u[n]表示自主移动中继推进速度的大小；所述偏转约束为

其中，

表示为最大偏转角，

表示为转向角；

步骤S403、建立安全避障模型，具体包括：

以及

其中，q_u[n]，q_s,m[n]和w_o分别表示第n个时隙下自主移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，

和

分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤S404、建立自主移动中继轨迹设计优化问题，具体包括：以最大化最小用户在N个时隙下的期望用户吞吐量E{R_us,m[n]}为优化目标，综合考虑运动约束、安全航行约束，地球曲率和广域覆盖环境的因素，建立自主移动中继轨迹设计优化问题；

步骤S405、将自主移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式，具体包括：

首先，处理非凸的目标函数E{R_us,m[n]}，引入辅助变量γ_m,m∈M替换目标函数，同时引入新约束γ_m≤E{R_us,m[n]}，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式；

然后，同样采用一阶泰勒展开对步骤S402中建立的运动约束和偏转约束，以及步骤S403 中建立的用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式。

进一步的，所述步骤S5具体包括：

步骤S501、建立联合联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：设定初始通信资源分配参数以及自主移动中继的初始轨迹，建立循环加载步骤S3中通信资源分配算法和步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤S502、求解联合联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：

首先，将设定的初始通信资源分配参数以及自主移动中继初始轨迹作为算法输入量，利用步骤S3中设计的通信资源分配算法求解第一次迭代下的最优通信资源分配策略；

然后，将第一次迭代下的最优通信资源分配策略作为步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的输入参数，求解出的最优自主移动中继轨迹，并将轨迹其作为步骤S3中设计的通信资源分配算法输入量；

紧接着，循环迭代加载步骤S3中通信资源分配算法和步骤S4中自主移动中继轨迹优化算法，直到算法求解得到的系统吞吐量稳定，输出最终迭代得到的通信资源分配策略和自主移动中继轨迹；

步骤S503、根据步骤S502得到的最优结果设计最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法。

进一步的，自主移动中继按如下的方式为用户提供通信服务：

步骤S701、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤S702、自主移动中继作为中继，建立基站-自主移动中继-用户的广域覆盖通信链路，为用户提供高速通信服务；计算无线通信信道，建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，随后基于信道模型建立基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型以及传输速率；

步骤S703、建立通信资源分配优化问题以及通信资源分配优化算法，确定最优的通信资源分配方案；

步骤S704、建立自主移动中继的运动模型和安全避障模型，建立自主移动中继轨迹设计优化问题以及自主移动中继轨迹设计优化算法，确定最优的通信资源分配方案；

步骤S705、建立联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤 S3中通信资源分配算法和步骤S4中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法；

步骤S706、自主移动中继按照最优传输策略完成通信服务后，返回到最近的控制中心或被临近的停靠设备回收，完成当前任务。

进一步的，所述自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法适用于无线异构网络，移动用户场景，信息无线采集网络，远距离高速通信，应急通信。

本发明的有益效果是：

本发明利用自主移动中继的高速移动和灵活部署特性，将其作为移动中继建立陆地基站和用户之间的高速无线通信链路。基于用户和广域覆盖环境信息，设计了联合通信资源分配和轨迹规划的广域覆盖无线系统的高速传输方法。在设计通信资源分配和轨迹规划时，系统会根据通信速率和用户通信需求，不断优化设计，从而增大广域覆盖无线通信系统的传输吞吐量。

附图说明

图1为本实施例1中提供的一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法的应用场景图。

图2为本实施例1中提供的一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法的流程示意图。

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、完整地描述，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。

实施例1

参见图1-图2，本实施例提供一种自主移动中继辅助的广域覆盖高速传输方法，以应用到海上远距离无线通信为例介绍本方法，具体如图1所示，地面上部署了一台陆地基站和控制中心，远离基站的地区中有M个广域覆盖船舶用户，海上存在K个障碍物需要规避，如海岛和礁石等。为了满足广域覆盖用户的高速无线通信需求，控制中心需要派遣自主移动中继来协助陆地基站发送高速通信信息给用户。

图2为本发明的实施流程示意图，具体的实施步骤为：

步骤1、用户向中心控制站发送通信需求指令，中心控制站接收通信需求指令，并收集用户的相关信息，该相关信息具体包括：用户信息、通信服务的类型π_s,m、请求时间t_s,m、通信需求数据量Γ_s,m、用户坐标q_s,m以及历史运动轨迹d_s,m；其中，用户信息包括：速度v_s,m、天线高度h_s,m和最大功率

中心控制站收集用户的相关信息采用了如下步骤：

步骤101、用户根据自身的坐标和所处的地区，选择最近的中心控制站发送第m个用户的等相关信息；

步骤102、中心控制站接收到需求指令后，借助全球定位系统(AIS)获取用户的实时信息，包括用户的坐标q_s,m、天线高度h_s,m(t)等参数。

步骤2、根据步骤1中的相关信息，例如实时的用户坐标q_s,m、历史运动轨迹d_s,m等，计算无线通信信道，建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，计算地面基站-自主移动中继以及自主移动中继-用户的可达通信吞吐量。

建立信道模型的相关信息采用了如下步骤：

步骤201、首先采用时间范围离散化的方法，将整个自主移动中继任务时间长度T离散成为N个等间隔的时隙，表达式为T＝Nδ_t，其中δ_t表示为时隙，在每一个所述的时隙中，将所述自主移动中继的运动视为恒定，因此，所述自主移动中继的坐标可以近似为N个长度的序列

其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下自主移动中继的横,纵坐标以天线高度。同样，第m个用户的坐标也可以近似成N个长度的序列

其中x_s,m[n](y_s,m[n])，h_s,m[n]分别表第n个时隙下用户的横(纵)坐标以天线高度。此外，需要协助的地面基站假设位于原点，其的坐标可以表示为w_b＝[0,0,h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度；

步骤202、计算在时隙n时，地面基站到自主移动中继的通信链路距离

以及自主移动中继到用户m的通信链路距离

步骤203、基于步骤202得到的链路距离，建立所述基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，以两径信道为例，首先考虑直达信号和通过反射的信号，建立信道模型；接着根据第n个时隙的通信链路距离，分别计算对应时隙下的地面基站到自主移动中继的信道h_bu，以及自主移动中继到用户m的信道h_us,m为

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s,m分别表示基站、自主移动中继和用户m的天线高度；

步骤204、基于步骤S203得到的信道模型，建立所述地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型，具体包括：根据步骤202以及步骤203获得的通信链路距离以及信道模型，地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别表示为：

其中，R_bu[n]表示为地面基站到自主移动中继在时隙n的信号传输速率，h_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到自主移动中继的信道，B表示总带宽，N₀表示噪声功率，p_bu[n]表示为在时隙n时，地面基站的发送功率，R_us,m[n]表示为自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_us,m[n]表示在时隙n时，自主移动中继到用户m的信道，p_us,m[n]表示为在时隙n时，自主移动中继的发送功率，a_m[n]表示为在时隙n时，带宽分配因子；

步骤205、采用两径信道近似方法简化所述步骤204中得到的信号传输速率，将地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别简化为

其中两径信道近似方法是通过将两径信道中的sin(x)函数近似为内部参数x。

步骤3、根据步骤2得到的通信传输模型设定通信资源策略，建立通信资源分配优化问题，然后对该通信资源分配优化问题的目标函数进行处理后，采用通信资源分配算法进行迭代求解，得到最优的基站传输功率、自主移动中继传输功率以及自主移动中继带宽分配因子，最终确定最优的通信资源分配方案；

具体的说，在本实施中，步骤3具体包括：

步骤301、建立通信资源分配优化问题。具体而言，建立以最大化最小用户在N个时隙下的期望用户吞吐量E{R_us,m[n]}为优化目标的通信资源分配优化问题；随后建立相关的约束条件，包括，地面基站的传输功率小于最大传输基站功率

即

自主移动中继传输总功率小于最大自主移动中继功率

以及带宽分配因子约束a_m[n]，即

和0≤a_m[n]≤1；

步骤302、将301建立的通信资源分配优化问题转化为易于处理的形式。具体而言，处理非凸的目标函数E{R_us,m[n]}，考虑引入辅助变量γ_m,m∈M替换目标函数，同时引入新约束γ_m≤E{R_us,m[n]}，该约束可以通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立通信资源分配优化问题；

步骤303、加载通信资源分配算法。具体而言，输入相关参数以及自主移动中继的轨迹，利用内点法求解步骤S302转化后的通信资源分配优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站传输功率

自主移动中继传输功率

以及自主移动中继带宽分配因子

步骤4、建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的动力学模型以及安全避障模型，随后建立自主移动中继轨迹优化问题，并将轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用自主移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得到自主移动中继的最优轨迹；

具体的说，在本实施例中步骤4包括：

步骤401、首先考虑自主移动中继的机动性会受到外部因素的影响，例如风、水流等等，计算自主移动中继的对流速度为V＝V_u+v_o，其中V_u和v_o分布表示自主移动中继的推进速度和外部介质的速度；

步骤402、建立所述自主移动中继辅助的广域覆盖无线系统的运动模型，具体包括运动约束和偏转约束。其中，在运动约束中，自主移动中继需要一个最小失速速度V_min以防止失去机动性，自主移动中继的速度同样会受到最大速度V_max，因此运动约束为 V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中V_u[n]表示自主移动中继推进速度的大小；偏转约束中，考虑到转向由舵系统控制，通常限制转向角

不能超过最大偏转角

以防止倾覆，即

步骤403、建立安全避障模型，具体需要考虑障碍物绕行以及用户之间避免碰撞两个因素，即

以及

其中q_u[n]，q_s,m[n]和w_o分别表示第n个时隙下自主移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，

和

分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤404、建立自主移动中继轨迹设计优化问题。以最大化最小用户在N个时隙下的期望用户吞吐量E{R_us,m[n]}为优化目标，综合考虑运动约束、安全航行约束，地球曲率和广域覆盖环境等因素，建立自主移动中继轨迹设计优化问题；

步骤405、将自主移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式。具体而言，首先处理非凸的目标函数E{R_us,m[n]}，考虑引入辅助变量γ_m,m∈M替换目标函数，同时引入新约束γ_m≤E{R_us,m[n]}，该约束可以通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式。随后同样采用一阶泰勒展开对步骤S403中建立的速度约束、避障约束和用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式；对于自主移动中继偏转约束

考虑到该约束是一个非线性约束，首先利用cos函数特性等效转化为

随后运用平面向量夹角公式进一步转化为

D[n]^TD[n-1]-||D[n]||||D[n-1]||cosφ_max≥0,n＝2,...N,

其中D[n]＝q_u[n]-q_u[n-1]表示在时隙n下的位移量。该约束中包含两项非凸项，分别利用Young不等式和二阶泰勒展开处理；

步骤406、加载自主移动中继轨迹优化算法，具体而言，输入相关参数以及通信资源分配策略。利用内点法迭代求解由步骤S305转化后的自主移动中继轨迹优化问题，得到N个时隙下最优的自主移动中继的二维坐标

连接N个时隙下的坐标q_u[n]，即可得到最优的自主移动中继工作轨迹。

步骤5、建立联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S3 中的通信资源分配算法和步骤S4中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法；

具体的说，在本实施中，步骤5具体包括：

步骤501、根据收集到的用户的相关信息，建立联合联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法。具体而言，设定初始通信资源分配参数以及自主移动中继的初始轨迹，建立循环加载步骤3中通信资源分配算法和步骤4中设计的自主移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤502、求解联合联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法。循环迭代加载S3中通信资源分配算法和S4中设计的自主移动中继轨迹设计，当相邻迭代次数中的最优通信可达速率小于一定阈值时，输出最优的通信资源分配参数以及自主移动中继轨迹；

步骤503、根据步骤502得到的最优结果设计最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法。

步骤6、自主移动中继按照步骤S5中设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，为用户提供通信服务，在满足用户的通信需求后，返回最近的停靠点回收，结束任务。

具体的说，在本实施中，步骤6具体包括：

步骤601、自主移动中继按照步骤S503得到的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法；

步骤602、在满足用户的通信需求后，返回最近的停靠点回收，结束当前的广域覆盖通信服务任务。

步骤7、所述一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，自主移动中继按如自主移动中继按如下的方式完成通信任务：

步骤701、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤702、自主移动中继作为中继，建立基站-自主移动中继-用户的广域覆盖通信链路，为用户提供高速通信服务；计算无线通信信道，建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，随后基于信道模型建立基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型以及传输速率；

步骤703、建立通信资源分配优化问题以及通信资源分配优化算法，确定最优的通信资源分配方案；

步骤704、建立自主移动中继的运动模型和安全避障模型，建立自主移动中继轨迹设计优化问题以及

自主移动中继轨迹设计优化算法，确定最优的通信资源分配方案；

步骤705、建立联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载S3中通信资源分配算法和S4中设计的自主移动中继轨迹设计，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法。

步骤706、自主移动中继完成通信服务后回到最近的控制中心或被临近的停靠设备回收，完成当前任务；

综上所述，本发明利用自主移动中继的高速移动和灵活部署特性，将其作为移动中继建立陆地基站和用户之间的高速无线通信链路。基于用户和广域覆盖的环境信息，设计了通信资源分配和轨迹规划的广域覆盖无线系统的高速传输方法。在设计通信资源分配和轨迹规划时，系统会根据通信速率和用户通信需求，不断优化设计，从而提升广域覆盖无线通信系统的传输吞吐量。

在实施例1中只是以一种应用在海上广域覆盖的自主移动中继(无人船)场景进行举例详细说明，自主移动中继也同样包括无人机、无人车等一系列无人控制的移动设施，用于空中、高速公路等场景的广域覆盖通信，对此并不做限定，本发明提供的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法适用于无线异构网络，移动用户场景，信息无线采集网络，远距离高速通信，应急通信。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤S2、根据步骤S1中的相关信息，计算通信信道，建立基于自主移动中继辅助的广域无线通信系统的信道模型，随后基于该信道模型建立基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型以及传输速率；

步骤S3、根据S2得到的通信传输模型设定通信资源策略，建立通信资源分配优化问题，然后对该通信资源分配优化问题的目标函数进行处理后，采用通信资源分配算法进行迭代求解，得到最优的基站传输功率、自主移动中继传输功率以及自主移动中继带宽分配因子，最终确定最优的通信资源分配方案；

步骤S4、建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的动力学模型以及安全避障模型，随后建立自主移动中继轨迹优化问题，并将轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用自主移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得到自主移动中继的最优轨迹；

步骤S5、建立联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S3中的通信资源分配算法和步骤S4中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法；

步骤S6、自主移动中继按照步骤S5中设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，为用户提供通信服务，在满足用户的通信需求后，返回最近的停靠点回收，结束任务。

2.根据权利要求1所述的一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，所述用户的相关信息包括：用户信息、通信服务的类型、请求时间、通信需求数据量、用户坐标以及历史运动轨迹；其中，所述用户信息包括：速度、天线高度和最大功率。

3.根据权利要求2所述的一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

步骤S101、用户根据自身的坐标和所处的地区，选择最近的中心控制站发送该用户的通信需求指令；

步骤S102、中心控制站接收到该用户的通信需求指令，再通过全球定位系统获取该用户的相关信息。

4.根据权利要求3所述的一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S201、首先采用时间范围离散化的方法，将整个自主移动中继任务时间长度T离散成为N个等间隔的时隙，表达式为T＝Nδ_t，其中δ_t表示为时隙，在每一个所述的时隙中，将所述自主移动中继的运动视为恒定，因此，所述自主移动中继的坐标近似为N个长度的序列

其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下自主移动中继的横坐标，纵坐标以及天线高度；第m个用户的坐标也近似成N个长度的序列

其中x_s,m[n]，y_s,m[n]和h_s,m[n]分别表示第n个时隙下用户的横坐标、纵坐标以天线高度；地面基站假设位于原点，坐标表示为w_b＝[0,0,h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度；

步骤S202、计算在时隙n时，地面基站到自主移动中继的通信链路距离

以及自主移动中继到用户m的通信链路距离

其中，w_b表示地面基站的二维坐标；

步骤S203、基于步骤S202得到的链路距离，建立所述基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，具体包括：首先考虑直达信号和通过反射的信号，建立信道模型；接着根据第n个时隙的通信链路距离，分别计算对应时隙下的地面基站到自主移动中继的信道h_bu，以及自主移动中继到用户m的信道h_us,m，表达式为：

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s,m分别表示基站、自主移动中继和用户m的天线高度；

步骤S204、基于步骤S203得到的信道模型，建立所述地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型，具体包括：根据步骤S202以及步骤S203获得的通信链路距离以及信道模型，地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别表示为：

其中，R_bu[n]表示为地面基站到自主移动中继在时隙n的信号传输速率，h_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到自主移动中继的信道，B表示总带宽，N₀表示噪声功率，p_bu[n]表示为在时隙n时，地面基站的发送功率，R_us,m[n]表示为自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_us,m[n]表示在时隙n时，自主移动中继到用户m的信道，p_us,m[n]表示为在时隙n时，自主移动中继的发送功率，a_m[n]表示为在时隙n时，带宽分配因子；

步骤S205、采用两径信道近似方法简化所述步骤S204中得到的信号传输速率，将地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别简化为：

其中，两径信道近似方法是通过将两径信道中的sin(x)函数近似为内部参数x。

5.根据权利要求4所述的一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

步骤S301、建立通信资源分配优化问题，具体包括：

首先，建立以最大化最小用户在N个时隙下的期望用户吞吐量E{R_us,m[n]}为优化目标的通信资源分配优化问题；

然后，建立相关的约束条件，包括：

地面基站的传输功率小于最大传输基站功率

的约束；

自主移动中继传输总功率小于最大中继功率

的的约束；

带宽分配因子约束a_m[n]的约束，具体为：0≤a_m[n]≤1；

步骤S302、将S301建立的通信资源分配优化问题转化为易于处理的形式，具体包括：

处理非凸的目标函数E{R_us,m[n]}，引入辅助变量γ_m,

替换目标函数，同时引入新约束γ_m≤E{R_us,m[n]}，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立通信资源分配优化问题；

步骤S303、加载通信资源分配算法，具体包括：

首先，输入相关参数以及自主移动中继的轨迹；

然后，利用内点法求解步骤S302转化后的通信资源分配优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站传输功率

自主移动中继传输功率

以及自主移动中继带宽分配因子

6.根据权利要求5所述的一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

步骤S401、首先考虑自主移动中继的机动性会受到外部因素的影响，计算自主移动中继的对流速度为V＝V_u+v_o，其中V_u和v_o分布表示自主移动中继的推进速度和外部介质的速度；

步骤S402、建立所述自主移动中继辅助的无线系统的动力学模型，具体包括：运动约束和偏转约束，所述运动约束为V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中，V_min表示自主移动中继的最小失速速度，V_max表示自主移动中继的最大速度，V_u[n]表示自主移动中继推进速度的大小；所述偏转约束为

其中，

表示为最大偏转角，

表示为转向角；

步骤S403、建立安全避障模型，具体包括：

以及

其中，q_u[n]，q_s,m[n]和w_o分别表示第n个时隙下自主移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，

和

分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤S404、建立自主移动中继轨迹设计优化问题，具体包括：以最大化最小用户在N个时隙下的期望用户吞吐量E{R_us,m[n]}为优化目标，综合考虑运动约束、安全航行约束，地球曲率和广域覆盖环境的因素，建立自主移动中继轨迹设计优化问题；

步骤S405、将自主移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式，具体包括：

首先，处理非凸的目标函数E{R_us,m[n]}，引入辅助变量γ_m,m∈M替换目标函数，同时引入新约束γ_m≤E{R_us,m[n]}，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式；

然后，同样采用一阶泰勒展开对步骤S402中建立的运动约束和偏转约束，以及步骤S403中建立的用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式。

7.根据权利要求5所述的一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

步骤S501、建立联合联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：设定初始通信资源分配参数以及自主移动中继的初始轨迹，建立循环加载步骤S3中通信资源分配算法和步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤S502、求解联合联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：

首先，将设定的初始通信资源分配参数以及自主移动中继初始轨迹作为算法输入量，利用步骤S3中设计的通信资源分配算法求解第一次迭代下的最优通信资源分配策略；

然后，将第一次迭代下的最优通信资源分配策略作为步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的输入参数，求解出的最优自主移动中继轨迹，并将轨迹其作为步骤S3中设计的通信资源分配算法输入量；

紧接着，循环迭代加载步骤S3中通信资源分配算法和步骤S4中自主移动中继轨迹优化算法，直到算法求解得到的系统吞吐量稳定，输出最终迭代得到的通信资源分配策略和自主移动中继轨迹；

步骤S503、根据步骤S502得到的最优结果设计最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法。

8.根据权利要求7所述的一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，自主移动中继按如下的方式为用户提供通信服务：

步骤S701、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤S702、自主移动中继作为中继，建立基站-自主移动中继-用户的通信链路，为用户提供高速通信服务；计算无线通信信道，建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，随后基于信道模型建立基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型以及传输速率；

步骤S703、建立通信资源分配优化问题以及通信资源分配优化算法，确定最优的通信资源分配方案；

步骤S704、建立自主移动中继的运动模型和安全避障模型，建立自主移动中继轨迹设计优化问题以及自主移动中继轨迹设计优化算法，确定最优的通信资源分配方案；

步骤S705、建立联合通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S3中通信资源分配算法和步骤S4中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含通信资源分配和自主移动中继轨迹设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法；

步骤S706、自主移动中继按照最优传输策略完成通信服务后，返回到最近的控制中心或被临近的停靠设备回收，完成当前任务。

9.根据权利要求1-8中任一所述的一种自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法，其特征在于，包括：所述自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法适用于无线异构网络，移动用户场景，信息无线采集网络，远距离高速通信或者应急通信。

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