CN113641184B - 一种适用于无人机的多功能通信的3d路径规划及资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，包括：确定系统模型，包含网络模型及通信信道模型；简化信道模型函数；求反向散射阶段中任一时刻各个设备的反向散射信道容量及其可实现的吞吐量；求反向散射阶段中各个设备可收集到的能量，求WPCN阶段主动传输可实现的吞吐量；定义优化目标为最大化多功能设备的公平速率，得到优化目标表达式以及其约束；根据优化目标问题采用块坐标下降法求解。本发明有效整合了低速率被动反向散射通信技术，高速率主动式WPCN技术及无人机通信的优良特性，不仅提高了系统的整体通信性能，还同时保证了多个设备数据传输的公平性。

Description

一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度 方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域，特别是一种基于无人机的无线通信技术方法。

背景技术

目前，无线通讯对于能量的需求显著增加，在多种供能通信技术中，一个典型便是结合了无线功率传输与无线信息传输的无线供能通信网络(Wireless PowerCommunicationNetwork,WPCN)；此外，反向散射通信技术也是一种具有严格能源限制的、具有前景的节能和经济高效的通信技术，非常适合应用于大规模的低成本物联网设备；无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)作为一种机动性高的低空飞行器，被广泛应用于各个领域，尤其是与通信行业的结合极为紧密；然而，传统的WPCN利用下行链路收集到的能量以进行主动的数据传输，其传输范围广，速率高，但需要额外的外部电源对其先充能，且在充能期间是不能进行信息传输，浪费了一定的时间资源；另一方面，反向散射通信技术通过吸收一部分现有环境或专用RF信号来为电路工作供电，然后通过反向散射部分信号以进行自身的数据传输。由于在这种类型的传输中不需要有源信号生成，因此反向散射通信会消耗更少的能量，但受到散射过程中的两次信道造成性能损耗的影响，该被动发射机只能实现低速率信息传输且范围受限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定系统模型，包含网络模型及通信信道模型；

(2)简化信道模型函数；

(3)假设地面各个多功能设备的反射因子已知，求反向散射阶段中任一时刻各个设备的反向散射信道容量及其可实现的吞吐量；

(4)假设地面各个多功能设备的能量转换效率已知，求反向散射阶段中各个设备可收集到的能量，求WPCN阶段主动传输可实现的吞吐量；

(5)定义优化目标为最大化多功能设备的公平速率，得到优化目标表达式以及其约束；

(6)根据优化目标问题采用块坐标下降法求解。

进一步地，所述步骤(1)具体包括以下分步骤：

(11)假设该网络模型由一个无人机，一个地面接收设备，多个地面的多功能设备组成，确定该系统模型中通信各个阶段的具体过程；

(12)确定各个设备的数量和位置坐标，同时，确定无人机发射功率、无人机最大水平飞行速度、无人机最大垂直飞行速度、信道噪声功率、通信双方距离、设备的能量转换效率系数等参数，确定系统的通信时隙模型；

(13)在已知高度情况下，根据视距信道函数求无人机与地面设备间的损耗及地面多功能设备与接收设备的损耗。

进一步地，所述步骤(12)中假设基于无人机的多功能通信网络模型中的地面MDs的二维位置坐标为接收设备RD的位置坐标为(R_x,R_y)，无人机的载波信号发射功率为P_t,u，信道噪声功率为/>

进一步地，所述步骤(12)中假设无人机在第n个时隙的3D坐标为(u[n],h[n])，其中u[n]为无人机的水平坐标，具体为(u_x,u_y)，h[n]为无人机的飞行高度，则在第n个时隙，该无人机与地面设备k间的距离可表示为其中q_uk[n]＝||b_k-u[n]||²，||·||用以表示向量之间的欧氏距离。

进一步地，所述步骤(13)中给定无人机与MD_k之间的距离为d_uk[n]时，路径损耗可以计算为：

其中Ω_LoS,0和Ω_NLoS,0分别是LoS通道和NLoS通道在参考距离d₀处的路径损耗，而α_NLoS＞2是NLoS通道的路径损耗指数。

进一步地，所述步骤(3)中假设设备的反射因子用Γ_k∈[0,1]以指代，可知此时被反射的调制信号功率为设备k在第n时隙的反向散射信道容量可以表示为：

其中为信道噪声功率，Ω_kR＝Ω₀(d_kR/d₀)²，设备k在反向散射通信阶段实现的吞吐量可被表示为：

进一步地，所述步骤(4)中假设η_k为地面设备电路的能量转换效率，故在反向散射阶段中，当设备k未被唤醒通信时，其将无人机发射的下行载波信号收集转换为能量，则在整个BCS阶段内可收集到的能量为：

这些能量被地面设备有效利用，并用于第二阶段主动的数据传输，则设备k在主动传输阶段可实现的吞吐量为：

进一步地，所述步骤(5)具体包括以下分步骤：

(51)对于系统中多功能设备的通信时间，需遵从系统的时隙分配，故得到相应约束条件；

(52)对于系统中的无人机，需满足实际应用场景中的一些限制条件，故得到相应约束条件；

(53)考虑到地面多个多功能设备需要参与通信，为保证多设备通信的公平性，采用最大化设备的公平速率值作为目标函数；

(54)得到优化目标问题。

进一步地，所述步骤(6)具体包括以下分步骤：

(61)固定无人机水平飞行轨迹，无人机飞行高度，求解设备时隙因子；

(62)固定设备时隙因子，无人机飞行高度，求解无人机水平飞行轨迹；

(63)固定设备时隙因子，无人机水平飞行轨迹，求解无人机飞行高度；

(64)通过所述步骤(61)、步骤(62)和步骤(63)进行轮流迭代求解直至目标函数值收敛。

进一步地，所述步骤(64)具体如下：

(641)初始化可行解{u⁽⁰⁾[n]}，{h⁽⁰⁾[n]}，{β_k ⁽⁰⁾[n]}，{δ⁽⁰⁾[n]}，τ_k ⁽⁰⁾，

(642)通过将{u⁽⁰⁾[n]}，{h⁽⁰⁾[n]},{β_k ⁽⁰⁾[n]}，{δ⁽⁰⁾[n]}，τ_k ⁽⁰⁾，代入公式(1-21a)，初始化/>

(643)初始化及i←0；

(644)更新i←i+1；

(645)给定{u^(i-1)[n]}，{h^(i-1)[n]}通过(P3)求解{β_k ⁽ⁱ⁾[n]}，{δ⁽ⁱ⁾[n]}，τ_k ⁽ⁱ⁾，

(646)给定{h^(i-1)[n]}，{β_k ⁽ⁱ⁾[n]}，{δ⁽ⁱ⁾[n]}，τ_k ⁽ⁱ⁾，通过(P5)求解{u⁽ⁱ⁾[n]}；

(647)给定{u⁽ⁱ⁾[n]}，{β_k ⁽ⁱ⁾[n]}，{δ⁽ⁱ⁾[n]}，τ_k ⁽ⁱ⁾，通过(P6)求解{h⁽ⁱ⁾[n]}，

(648)判断是否成立，是则进入步骤(644)，否则进入步骤(649)；

(649)返回结果{u^*[n]←u⁽ⁱ⁾[n]},{h^*[n]←h⁽ⁱ⁾[n]},{β_k ^*[n]←β_k ⁽ⁱ⁾[n]},{δ^*[n]←δ⁽ⁱ⁾[n]}，{τ_k*←τ_k ⁽ⁱ⁾}，和/>

本发明的有益效果是：

本发明包括无人机3D飞行轨迹设计、设备时隙因子分配两个部分，有效整合了低速率被动反向散射通信技术，高速率主动式WPCN技术及无人机通信的优良特性，不仅提高了系统的整体通信性能，还同时保证了多个设备数据传输的公平性。

附图说明

图1是本发明的适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法流程图；

图2是本发明的系统网络模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，具体包括以下步骤：

(1)确定系统模型，包含网络模型及通信信道模型。

所述步骤(1)具体包括以下分步骤：

(11)如图2所示，其中无人机扮演移动射频源在在固定区域内飞行并为地面多功能设备(Multifunctional Devices，MDs)提供射频信号。在整个飞行任务周期内，多功能设备可通过对其阻抗匹配的自适应调整，实现在主动发射和被动反射两种通信模式的灵活切换。系统任务周期T分为两阶段，具体来说，在BCS阶段，无人机在区域上空飞行并下行发射载波信号，地面物联设备一方面通过调整阻抗将数据调制至载波信号后被动反射给地面接收者，另一方面也可将载波信号收集转换为能量。等到终端设备超级电容收集到足够能量，在WPCN阶段再通过其射频链路主动发射数据至接收者。

(12)假设基于无人机的多功能通信网络模型中的地面MDs的二维位置坐标为接收设备RD的位置坐标为(R_x,R_y)。无人机的载波信号发射功率为P_t,u，信道噪声功率为/>假设无人机在第n个时隙的3D坐标为(u[n],h[n])，其中u[n]为无人机的水平坐标，具体为(u_x,u_y)，h[n]为无人机的飞行高度。则在第n个时隙，该无人机与地面设备k间的距离可表示为/>其中q_uk[n]＝||b_k-u[n]|\²，|\·||用以表示向量之间的欧氏距离。同理，地面MDk与接收设备RD的距离可表示为d_kR＝||b_k-R||，R为接收设备的位置。无人机存在速度限制，其在二维平面方向与高度方向上的最大速度分别为v_l，v_h。考虑到无人机轨迹飞行连续，在求解问题中涉及到无穷个变量，故简化模型，将无人机的飞行轨迹离散化为N个点。如图2的时隙模型图所示，其中每一个飞行位置占据时间为δ[n]，故存在/>对于地面MDs，采取时分复用协议的方式，即在第n个飞行位置，仅存在一个MD与无人机进行通信。使用β_k[n]表示设备k在飞行点n处被激活的时间，并存在约束/>

(13)假设无人机飞行高度可变，无人机的飞行高度为h[n]。故需要考虑无人机和地面设备之间高度变化所带来视距/非视距(LoS/NLoS)信道。给定无人机与MDk之间的距离为d_uk[n]时，则路径损耗可以计算为：

其中Ω_LoS,0和Ω_NLoS,0分别是LoS通道和NLoS通道在参考距离d₀处的路径损耗，而α_NLoS＞2是NLoS通道的路径损耗指数。对于特定的MDk，其与无人机的信道是LoS还是NLoS主要取决于其朝向无人机的仰角，用下式表示：

从以上式子可以看出只有当仰角大于阈值θ_th时，LoS信道才存在，此时设备k在该时隙所接受到的相应功率为否则，无人机和MD k之间的为NLoS信道,相应功率为/>引入期望公式,此时隙MDk可接收到期望功率为：

其中是无人机保持与MDk的LoS信道的概率。可以进一步表示为：

由于地面多功能设备k与接收设备都布置于地面,故其LoS概率明显为零，则

(2)简化信道模型函数；

信道模型中为离散概率模型，将导致问题难以求解。为了求解方便，此处先对其进行处理,先将公式转换为：

用σ(ρ[n])＝1/(1+e^-cρ[n])近似此离散分布函数，令ρ[n]＝h[n]-tanθ_th||b_k-u[n]||，故其可近似为：

其中c为常数用于调整函数逼近程度。另一方面，可表示为：

考虑到实际情况下，与/>相差较大，故可将/>删除。近似得到

(3)假设地面各个多功能设备的反射因子已知，求反向散射阶段中任一时刻各个设备的反向散射信道容量及其可实现的吞吐量；

假设设备的反射因子用Γ_k∈[0,1]以指代，可知此时被反射的调制信号功率为设备k在第n时隙的反向散射信道容量可以表示为：

其中为信道噪声功率，Ω_kR＝Ω₀(d_kR/d₀)²，设备k在反向散射通信阶段实现的吞吐量可被表示为：

(4)假设地面各个多功能设备的能量转换效率已知，求反向散射阶段中各个设备可收集到的能量，求WPCN阶段主动传输可实现的吞吐量；

假设η_k为地面设备电路的能量转换效率，故在反向散射阶段中，当设备k未被唤醒通信时，其可以将无人机发射的下行载波信号收集转换为能量，则在整个BCS阶段内可收集到的能量为：

这些能量可以被地面设备有效利用，并用于第二阶段主动的数据传输，则设备k在主动传输阶段可实现的吞吐量为：

(5)定义优化目标为最大化多功能设备的公平速率，得到优化目标表达式以及其约束；

所述步骤(5)具体包括以下分步骤：

(51)对于系统中多功能设备的通信时间，需遵从系统的时隙分配，系统总工作时间为T。其中第一部分为无人机参与的反向散射通信阶段，用T_BCS表示；第二部分为设备的主动数据发送阶段,用T_WPCN表示。参考图2，可得到以下约束条件：

0≤T_BCS≤T,0≤τ_k≤T-T_BCS (1-15)

(52)对于系统中的无人机，需满足实际应用场景中的一些限制条件，其中与为无人机的水平与垂直的速度约束，与为无人机的位置回归约束，为无人机的飞行高度限制；

||u[n+1]-u[n]||≤δ[n]v_l,n＝1,..,N-1 (1-16)

||h[n+1]-h[n]||≤δ[n]v_h,n＝1,..,N-1, (1-17)

u[1]＝u[N] (1-18)

h[1]＝h[N] (1-19)

h_min≤h≤h_max (1-20)

(53)考虑到地面多个反向散射设备参与通信，为保证多设备通信的公平性，采用最大化多个设备中最小速率值的目标函数；设备k可实现的速率为考虑到多个地面设备进行信息传递的公平性，定义优化目标为最大化设备的公平速率，即

(54)得到优化目标问题，优化目标表达式如(P1)所示，其中R_fair表示为所有设备中最小的信息速率，如式(1-21a)所示；

(P1)：

s.t.

(1-13)-(1-20)

(6)根据优化目标问题采用块坐标下降法求解。

所述步骤(6)具体包括以下分步骤：

(61)通过固定无人机水平轨迹{u[n]|n＝1,...,N}，无人机高度{h[n]|n＝1,...,N},求解系统时隙变量{β_k[n]|n＝1,...,N,k＝1,...,K}，{δ[n]|n＝1,...,N}，{τ_k|k＝1,...,K}以及T_BCS,具体如问题(P2)所示。

(P2):

s.t.

(1-13)-(1-17)

其中

观察(P2)，可以发现除了大量的线性不等式约束外，主要关注约束(1-22a)的凹凸性质。引入辅助变量ν_k，其中

此时，(P2)问题可以重新表述为以下问题：

(P3):

s.t.

(1-13)-(1-17)， (1-23)

(62)通过固定系统时隙变量{β_k[n]|n＝1,...,N,k＝1,...,K}，{δ[n]|n＝1,...,N}，{τ_k|k＝1,...,K},T_BCS及无人机高度{h[n]|n＝1,...,N},求解无人机水平轨迹{u[n]|n＝1,...,N}，该问题可以描述为优化问题(P4)

(P4):

s.t.

(1-16)，(1-18)

其中以及可以发现在此子问题中，它们均为固定值。为关于u[n]的函数。为了解决该问题，首先令/>以及η[n]＝1+e^-cρ[n],则可以得到函数并引入约束

ρ[n]≤ h[n]-tanθ_th||b_k-u[n]|| (1-26)

观察该问题，可以发现其为非凸问题，因为约束(1-25a)关于{u[n]|n＝1,...,N}为非凸函数，导致该问题无法得到有效解决。

经过推导可以发现，在约束(1-25a)中不等式右边第一项中的表达式f(ν[n],η[n])＝log₂(1+ζ_k[n]C_k[n])关于ν[n],η[n]为凸函数，故让f(v[n]，η[n])在v₀[n]和η₀[n]处进行一阶泰勒展开，如下所示：

其中

对于约束(1-25a)中不等式右边第二部分我们首先引入辅助变量ω_k，并存在关系：

尝试将f⁽¹⁾(ν[n])替换约束(1-25a)中的f(ν[n])，则约束(1-25a)转换为：

对于约束，发现g(ν[n],η[n])＝C_k[n]关于ν[n],η[n]为凸函数，故让g(ν[n],η[n])在ν₀[n]和η₀[n]处进行一阶泰勒展开，如下所示：

其中

g_η(v[n],η[n])＝-bv^-1[n]η^-2[n] (1-34)

将g⁽¹⁾(ν[n])替换约束中的g(ν[n])，故其转换为：

综上所述，问题(P4)将被重新表述为凸问题(P5)

(P5):

s.t.(1-16)，(1-18)，(1-26)，(1-31)， (1-35)

(63)通过固定{β_k[n]|n＝1,...,N,k＝1,...,K}，{δ[n]|n＝1,...,N}，{τ_k|k＝1,...,K},T_BCS及{u[n]|n＝1,...,N},求解无人机高度{h[n]|n＝1,...,N}，该问题可以描述为：

(P6):

s.t.(1-17),(1-19),(1-20),(1-21a)

该子问题为非凸问题，其解决方法与水平轨迹子问题(P4)一致。

(64)通过所述步骤(61)、步骤(62)和步骤(63)进行轮流迭代求解直至目标函数值收敛；其步骤具体如下：

(641)初始化可行解{u⁽⁰⁾[n]}，{h⁽⁰⁾[n]}，{β_k ⁽⁰⁾[n]}，{δ⁽⁰⁾[n]}，τ_k ⁽⁰⁾，

(642)通过将{u⁽⁰⁾[n]}，{h⁽⁰⁾[n]},{β_k ⁽⁰⁾[n]}，{δ⁽⁰⁾[n]}，τ_k ⁽⁰⁾，代入公式(1-21a)，初始化/>

(643)初始化及i←0；

(644)更新i←i+1；

(645)给定{u^(i-1)[n]}，{h^(i-1)[n]}通过(P3)求解{β_k ⁽ⁱ⁾[n]}，{δ⁽ⁱ⁾[n]}，τ_k ⁽ⁱ⁾，

(646)给定{h^(i-1)[n]}，{β_k ⁽ⁱ⁾[n]}，{δ⁽ⁱ⁾[n]}，τ_k ⁽ⁱ⁾，通过(P5)求解{u⁽ⁱ⁾[n]}；

(647)给定{u⁽ⁱ⁾[n]}，{β_k ⁽ⁱ⁾[n]}，{δ⁽ⁱ⁾[n]}，τ_k ⁽ⁱ⁾，通过(P6)求解{h⁽ⁱ⁾[n]}，

(648)判断是否成立，是则进入步骤(644)，否则进入步骤(649)；

(649)返回结果{u^*[n]←u⁽ⁱ⁾[n]},{h^*[n]←h⁽ⁱ⁾[n]},{β_k ^*[n]←β_k ⁽ⁱ⁾[n]},{δ^*[n]←δ⁽ⁱ⁾[n]}，{τ_k*←τ_k ⁽ⁱ⁾}，和/>

以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定系统模型，包含网络模型及通信信道模型；

所述步骤(1)具体包括以下分步骤：

(11)假设该网络模型由一个无人机，一个地面接收设备，多个地面的多功能设备组成，确定该系统模型中通信各个阶段的具体过程；

(12)确定各个设备的数量和位置坐标，同时，确定无人机发射功率、无人机最大水平飞行速度、无人机最大垂直飞行速度、信道噪声功率、通信双方距离、设备的能量转换效率系数等参数，确定系统的通信时隙模型；

(13)在已知高度情况下，根据视距信道函数求无人机与地面设备间的损耗及地面多功能设备与接收设备的损耗；

所述步骤(13)中给定无人机与第k个地面的多功能设备之间的距离为d_uk[n]时，路径损耗可以计算为：

其中Ω_LoS,0和Ω_NLoS,0分别是LoS通道和NLoS通道在参考距离d₀处的路径损耗，而α_NLoS＞2是NLoS通道的路径损耗指数；

(2)简化信道模型函数；

(3)假设地面各个多功能设备的反射因子已知，求反向散射阶段中任一时刻各个设备的反向散射信道容量及其可实现的吞吐量；

所述步骤(3)中假设地面多功能设备的反射因子用Γ_k∈[0,1]以指代，可知此时被反射的调制信号功率为第k个地面的多功能设备在第n时隙的反向散射信道容量可以表示为：

其中为信道噪声功率，Ω_kR＝Ω₀(d_kR/d₀)²，第k个地面的多功能设备在反向散射通信阶段实现的吞吐量可被表示为：

(4)假设地面各个多功能设备的能量转换效率已知，求反向散射阶段中各个设备可收集到的能量，求WPCN阶段主动传输可实现的吞吐量；

(5)定义优化目标为最大化多功能设备的公平速率，得到优化目标表达式以及其约束；

(6)根据优化目标问题采用块坐标下降法求解。

2.根据权利要求1所述的适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，其特征在于，所述步骤(12)中假设基于无人机的多功能通信网络模型中的地面多功能设备的二维位置坐标为接收设备RD的位置坐标为(R_x,R_y)，无人机的载波信号发射功率为P_t,u，信道噪声功率为/>

3.根据权利要求1所述的适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，其特征在于，所述步骤(12)中假设无人机在第n个时隙的3D坐标为(u[n],h[n])，其中u[n]为无人机的水平坐标，具体为(u_x,u_y)，h[n]为无人机的飞行高度，则在第n个时隙，该无人机与第k个地面的多功能设备间的距离可表示为其中q_uk[n]＝||b_k-u[n]||²，||·||用以表示向量之间的欧氏距离。

4.根据权利要求1所述的适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，其特征在于，所述步骤(4)中假设η_k为地面设备电路的能量转换效率，故在反向散射阶段中，当第k个地面的多功能设备未被唤醒通信时，其将无人机发射的下行载波信号收集转换为能量，则在整个BCS阶段内可收集到的能量为：

这些能量被地面设备有效利用，并用于第二阶段主动的数据传输，则第k个地面的多功能设备在主动传输阶段可实现的吞吐量为：

5.根据权利要求1所述的适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括以下分步骤：

(51)对于系统中多功能设备的通信时间，需遵从系统的时隙分配，故得到相应约束条件；

(52)对于系统中的无人机，需满足实际应用场景中的一些限制条件，故得到相应约束条件；

(53)考虑到地面多个多功能设备需要参与通信，为保证多设备通信的公平性，采用最大化设备的公平速率值作为目标函数；

(54)得到优化目标问题。

6.根据权利要求1所述的适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括以下分步骤：

(61)固定无人机水平飞行轨迹，无人机飞行高度，求解设备时隙因子；

(62)固定设备时隙因子，无人机飞行高度，求解无人机水平飞行轨迹；

(63)固定设备时隙因子，无人机水平飞行轨迹，求解无人机飞行高度；

(64)通过所述步骤(61)、步骤(62)和步骤(63)进行轮流迭代求解直至目标函数值收敛。