CN113821909A - 空天地无线携能通信系统设计方法及装置 - Google Patents

空天地无线携能通信系统设计方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种空天地无线携能通信系统设计方法及装置，该方法包括：获取目标通信系统的设计参数；基于设计参数和系统设计模型，确定目标通信系统对应的优化的系统设计变量；系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化系统设计变量的优化模型。通过本发明提供的空天地无线携能通信系统设计方法及装置，可以灵活有效地提高地面节点或者无人机群组的工作寿命。

Description

空天地无线携能通信系统设计方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种空天地无线携能通信系统设计方法及装置。
背景技术
随着无线通信网络和传感技术的快速发展，物联网(Internet of Things，IoT)作为桥接各种技术的综合平台引起了人们的广泛关注，并衍生了诸如自动驾驶、智慧城市、环境监测等许多新兴的应用。当IoT应用于缺乏地面网络接入的偏远区域，例如环境监测、应急管理、智能电网等应用场景时，此类特殊的IoT范式被称作远程物联网(Internet ofRemote Things，IoRT)。由于偏远区域部署以及维护地面通信设施的成本高昂，如何为IoRT提供经济高效的网络接入方案成为了一项巨大的挑战，而考虑到成本限制，低的功率消耗以及长的电池寿命也成为工业对于IoRT设备的关键需求。
为此，一种新兴的空天地网络(Space-Air-Ground Network，SAGN)架构应运而生，该网络利用无人机(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)进行辅助通信，在地面基站无法覆盖到的远程密集区域协作卫星和地面节点(即地面物联网节点，如智能设备或传感器等)间进行数据通信，保障地面节点的服务质量(Quality of Service，QoS)，降低地面节点的能量消耗。目前，对于多无人机使能的空天地无线携能通信系统，如何灵活有效地提高地面节点或者无人机群组的工作寿命，是业界亟待解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种空天地无线携能通信系统设计方法及装置。
第一方面，本发明提供一种空天地无线携能通信系统设计方法，包括：
获取目标通信系统的设计参数；
基于所述设计参数和系统设计模型，确定所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量；
其中，所述系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；
所述系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化所述系统设计变量的优化模型。
可选地，所述地面节点和无人机群组的加权剩余能量的表达式为：
Figure BDA0003220765760000021
其中，
Figure BDA0003220765760000022
表示地面节点k的任务初始能量，
Figure BDA0003220765760000023
表示无人机m的任务初始能量，
Figure BDA0003220765760000024
表示地面节点k在第n个时隙转换后的能量，
Figure BDA0003220765760000025
表示地面节点k在第n个时隙所消耗的能量，
Figure BDA0003220765760000026
表示无人机m在第n个时隙所消耗的能量，
Figure BDA0003220765760000031
表示地面节点k的权重系数，
Figure BDA0003220765760000032
表示无人机m的权重系数，K、M和N分别表示所述目标通信系统中的地面节点数量、无人机数量和任务时间被离散化的时隙数。
可选地，所述地面节点k在第n个时隙转换后的能量
Figure BDA0003220765760000033
是基于非线性能量转换模型确定的，所述非线性能量转换模型表达式为：
Figure BDA0003220765760000034
其中，
Figure BDA0003220765760000035
a1、a2以及V是与电路规格有关的常数，
Figure BDA0003220765760000036
为地面节点k在第n个时隙从无人机m接收到的输入功率，Φk,m,n为
Figure BDA0003220765760000037
转换后的功率。
可选地，所述基于所述设计参数和系统设计模型，确定所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量，包括：
基于连续凸逼近的交替迭代算法，对系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，得到所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
可选地，所述对系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，得到所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量，包括：
针对当前轮迭代，固定所述飞行轨迹变量、所述第一时间分配比例变量、所述第二时间分配比例变量、所述第一发射功率变量以及所述第二发射功率变量分别为上一轮迭代的求解值，对所述连接指示变量和所述传输功率变量进行优化求解；
固定所述飞行轨迹变量、所述第一时间分配比例变量和所述第二时间分配比例变量分别为上一轮迭代的求解值，固定所述连接指示变量和所述传输功率变量分别为当前轮迭代的求解值，对所述第一发射功率变量和所述第二发射功率变量进行优化求解；
固定所述连接指示变量、所述传输功率变量、所述第一发射功率变量和所述第二发射功率变量分别为当前轮迭代的求解值，对所述飞行轨迹变量、所述第一时间分配比例变量和所述第二时间分配比例变量进行优化求解；
不断进行迭代，直至确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则，迭代停止，得到所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
可选地，所述确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则，包括：
若当前轮迭代求解得到的模型目标函数值与上一轮迭代求解得到的模型目标函数值之间的差值小于等于预设阈值，则确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则。
第二方面，本发明还提供一种空天地无线携能通信系统设计装置，包括：
获取模块，用于获取目标通信系统的设计参数；
确定模块，用于基于所述设计参数和系统设计模型，确定所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量；
其中，所述系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；
所述系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化所述系统设计变量的优化模型。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，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所述第一方面所述的空天地无线携能通信系统设计方法的步骤。
第四方面，本发明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如上所述第一方面所述的空天地无线携能通信系统设计方法的步骤。
第五方面，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述第一方面所述的空天地无线携能通信系统设计方法的步骤。
本发明提供的空天地无线携能通信系统设计方法及装置，通过基于系统设计模型，以最大化地面节点与无人机群组的加权剩余能量为优化目标，对模型进行求解后获得优化的系统设计变量，从而基于优化的系统设计变量进行通信系统设计，可以灵活有效地提高地面节点或者无人机群组的工作寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，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是本发明提供的空天地无线携能通信系统设计方法的流程示意图；
图2是本发明提供的多无人机使能的空天地无线携能通信系统示意图；
图3是本发明提供的联合优化系统设计变量的流程示意图；
图4是本发明提供的空天地无线携能通信系统设计装置的结构示意图；
图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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作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。
卫星通信作为地面网络的补充和扩展，应用于很多实用领域，包括地球观测和测绘、智能交通系统、军事任务、灾难救援等，是下一代通信提高网络覆盖范围和容量的关键技术。对于广泛分布的IoRT设备，卫星通信由于其无缝覆盖的特性，成为了连接各种对象的解决方案，为地面设备提供灵活高效的网络服务。然而，独立的卫星通信网络难以完全满足IoRT设备的需求。以低轨卫星为例，其距离地面大约200～2000km，地面设备与卫星通信所具有的远距离特性将导致严重的信号衰减，这使得地面设备的能耗问题进一步恶化。
为了应对以上挑战，无人机辅助的通信被认为是一种有效而不可缺少的机制。由于无人机的部署灵活、移动可控以及良好的视距传输特性(Line-of-Sight，LoS)，无人机在物联网中扮演着至关重要的角色。然而，由于距离的限制，独立的无人机通信网络难以将信息回传。为了充分利用卫星与无人机的互补优势，一种新兴的空天地网络SAGN架构应运而生，该网络将无人机作为一种有效的方式，在地面基站无法覆盖到的远程密集区域协作卫星和地面节点(如智能设备或传感器等)间进行数据通信，保障地面节点的QoS，降低地面节点的能量消耗。
虽然目前业界对于上述空天地网络的设计优化已有较多研究，但是，对于多无人机使能的空天地无线携能通信系统，如何进行系统地优化设计，以灵活有效地提高地面节点或者无人机群组的工作寿命，仍然是业界亟待解决的重要课题。
基于此，本发明首先提出一个多无人机使能的空天地无线携能通信系统，该系统由地面段、空中段、空间段组成。具体地，地面段的物联网节点(即地面节点)利用传感器收集周边环境信息并进行存储，空中段的无人机群组利用无线携能技术协同地为地面节点进行充能，同时收集地面节点的数据转发上传至空间段的低轨卫星。通过优化设备连接、功率控制、时间划分和无人机群轨迹，最大化地面节点与无人机群组的加权剩余能量，灵活有效地提高地面节点或者无人机群组的工作寿命。
图1为本发明提供的空天地无线携能通信系统设计方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤100、获取目标通信系统的设计参数；
具体地，目标通信系统可以是任一待设计优化的空天地无线携能通信系统，其设计参数为系统设计模型中针对待设计优化的通信系统所需输入的各种参数，例如：地面节点个数、无人机个数、地面节点位置坐标、无人机初始位置坐标或无人机飞行高度等等。
步骤101、基于设计参数和系统设计模型，确定目标通信系统对应的优化的系统设计变量；
其中，系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；
系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化系统设计变量的优化模型。
具体地，获取目标通信系统的设计参数后，即可将设计参数输入系统设计模型，并通过对系统设计模型进行求解，获得目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
下面通过具体实施例对上述方法中使用的系统设计模型进行举例说明。
图2为本发明提供的多无人机使能的空天地无线携能通信系统示意图，如图2所示，该系统分为空间段(Space segment)、空中段(Aerial segment)和地面段(Groundsegment)，分别由低轨卫星，M个低空飞行平台(即无人机UAV)以及K个均匀分布的地面节点(ground nodes，GNs)组成，包括无人机至卫星的通信链路(Air-to-Satellite link)、地面节点至无人机的通信链路(Ground-to-UAV link)以及无线携能充电链路(Wireless powertransfer link)。在该系统中，无人机搭载解码转发(decode and forward，DF)中继模块以及无线携能载荷，在下行通过射频信号(radio frequency，RF)为地面节点进行携能充电，同时将获取到的地面节点的信息经过解码转发至低轨卫星。在工作期间内，UAV飞行高度固定在Huav。为了方便分析，系统的时间被离散化为N个时隙，即
Figure BDA0003220765760000081
以至于在每个时隙ΔT持续时间内UAV可以被看作近似静止，则第n个时隙UAV m的水平坐标位置表示为qm,n＝[xm,n,ym,n]T(即无人机的飞行轨迹变量)，并假设UAV预先获知地面节点k的位置，表示为wk＝[xk,yk]T，
Figure BDA0003220765760000091
上述系统设计模型可以基于信息传输模型、能量传输模型以及能量消耗模型构建，下面将分别对本实施例所使用的信息传输模型、能量传输模型以及能量消耗模型进行介绍。
1、信息传输模型
本实施例考虑UAV和地面节点之间的无线信道为LoS链路主导，在此情况下，可以假定采用自由空间路损模型，则UAVm和地面节点
Figure BDA0003220765760000092
之间的信道功率增益为：
Figure BDA0003220765760000093
其中，γ为路损因子，一般取值为2，β0表示在参考距离为1m时的信道功率增益，dk,m表示UAVm和地面节点k之间的距离(三维空间上的直线距离)。同时，本实施例定义xk,m,n为连接指示变量，其中xk,m,n＝1表示节点k在第n个时隙与UAVm建立数据连接，进行本地数据的上传；否则，xk,m,n＝0。
本实施例采用先获取再传输协议，即地面节点在每个时隙先从无人机处获取能量，剩余时间与无人机进行通信。定义αn表示第n个时隙地面节点与UAV群通信的时间比例(即第一时间分配比例变量)，βn表示第个n时隙UAV对地面节点进行携能充电所占时间比例(即第二时间分配比例变量)，其中αn+βn≤1。根据香农公式，可以得到地面节点k在第n个时隙与UAVm的通信平均数据速率：
Figure BDA0003220765760000094
其中，pk,m,n表示地面节点k在第n个时隙与UAVm通信的发射功率(即第一发射功率变量)，σ2表示加性高斯白噪声功率。
由于与垂直距离相比，UAV和卫星之间的水平距离可以忽略不计，因此UAVm与卫星之间的信道功率增益可以表示为：
Figure BDA0003220765760000101
其中，
Figure BDA0003220765760000102
与
Figure BDA0003220765760000103
分别表示UAV的发射天线增益和卫星的接收天线增益，c表示光速，f是载波频率，Hs是卫星距地高度。则UAVm在第n个时隙与卫星通信的平均数据速率为：
Figure BDA0003220765760000104
其中，
Figure BDA0003220765760000105
表示UAVm在第n个时隙与卫星通信的发射功率(即第二发射功率变量)，
Figure BDA0003220765760000106
表示卫星接收机发出的热噪声功率。
2、能量传输模型
地面节点k在时隙n从UAVm处接收到的输入功率可以表示为：
Figure BDA0003220765760000107
其中，
Figure BDA0003220765760000108
表示UAVm在第n个时隙WPT模式下的传输功率(即传输功率变量)。
为使得系统设计模型更加准确，本实施例采用更贴近实际的非线性能量转换模型，具体可以表示为：
Figure BDA0003220765760000109
其中，
Figure BDA00032207657600001010
Figure BDA00032207657600001011
a1、a2以及V是与电路规格有关的常数，Φk,m,n为
Figure BDA00032207657600001012
转换后的功率。考虑一个时隙的能量转换时延，即当前时隙接收到的能量经过转换需要到下一时隙才能使用，则地面节点k在第n个时隙转换后的能量为：
Figure BDA0003220765760000111
其中，
Figure BDA0003220765760000112
表示地面节点k在第n-1个时隙从UAVm处所获取的能量。
3、能量消耗模型
地面节点k在第n个时隙所消耗的能量可以表示为：
Figure BDA0003220765760000113
UAV能量消耗主要源自三部分，分别是动力飞行消耗的能量
Figure BDA0003220765760000114
转发地面节点数据消耗的能量
Figure BDA0003220765760000115
以及无线携能消耗的能量
Figure BDA0003220765760000116
可分别具体表示如下：
Figure BDA0003220765760000117
Figure BDA0003220765760000118
Figure BDA0003220765760000119
其中，Pb表示叶片型线功率(blade profile power)，Pi表示悬停状态下的旋翼诱导功率，Utip表示旋翼叶片的叶尖速度，
Figure BDA00032207657600001110
表示UAVm在时隙n的飞行速率，v0表示悬停时的平均旋翼诱导速度，d0表示机身阻力比，θ表示空气密度，s表示旋翼实度，A表示旋翼桨盘面积。
UAVm在第n个时隙消耗的能量可以表示为：
Figure BDA00032207657600001111
本实施例的系统设计模型，其目标是通过优化设备连接、信息传输功率、无线携能传输功率、时间分配以及无人机飞行轨迹，以最大化地面节点与无人机群组的加权剩余能量，从而灵活有效地提高地面节点或者无人机群组的工作寿命。
因此，系统设计模型的目标函数，即地面节点与无人机群组的加权剩余能量的表达式可以设定为：
Figure BDA0003220765760000121
其中，
Figure BDA0003220765760000122
表示地面节点k的任务初始能量(可根据实际情况设置)，
Figure BDA0003220765760000123
表示无人机m的任务初始能量(可根据实际情况设置)，
Figure BDA0003220765760000124
表示地面节点k的权重系数(可根据实际设计需求设置)，
Figure BDA0003220765760000125
表示无人机m的权重系数(可根据实际设计需求设置)。
上述系统设计模型的优化问题P1可以完整表示为：
Figure BDA0003220765760000126
Figure BDA0003220765760000127
Figure BDA0003220765760000128
Figure BDA0003220765760000129
Figure BDA00032207657600001210
Figure BDA00032207657600001211
Figure BDA00032207657600001212
Figure BDA00032207657600001213
Figure BDA00032207657600001214
Figure BDA00032207657600001215
Figure BDA0003220765760000131
Figure BDA0003220765760000132
Figure BDA0003220765760000133
Figure BDA0003220765760000134
其中，约束(16)、(19)和(20)为连接指示变量约束，约束(19)和(20)分别表示每个地面节点在任一时隙只能被一个无人机服务以及任一时隙每个无人机只能接入一个地面节点；约束(17)和(18)为时间分配比例约束；约束(21)和(22)为地面节点和无人机的功率约束，分别是地面节点以及无人机最大信息发射功率(pmax以及Pmax)的限制；约束(23)表示能量中立约束，即地面节点k使用能量不能超过当前存储的能量，其中
Figure BDA0003220765760000135
约束(24)表示无人机的能量持续性约束，即经过时长T能量剩余大于等于0；约束(25)表示信息新鲜度约束，即无人机在上一时刻接收到的信息经过解码转发在下一时隙能够全部传输至卫星；约束(26)表示地面节点的QoS约束，
Figure BDA0003220765760000136
为保证QoS的地面节点k数据传输速率；约束(27)为无人机的最大飞行速率约束，限制了无人机的最大飞行速率Vmax；约束(28)和(29)为无人机的飞行轨迹约束，约束(28)使得无人机结束任务能够返回初始点，约束(29)保障了无人机之间的安全距离Dmin。
本发明实施例提供的空天地无线携能通信系统设计方法，通过基于系统设计模型，以最大化地面节点与无人机群组的加权剩余能量为优化目标，对模型进行求解后获得优化的系统设计变量，从而基于优化的系统设计变量进行通信系统设计，可以灵活有效地提高地面节点或者无人机群组的工作寿命。
可选地，所述基于设计参数和系统设计模型，确定目标通信系统对应的优化的系统设计变量，包括：
基于连续凸逼近的交替迭代算法，对系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，得到目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
具体地，本发明实施例中，针对上述系统设计模型的求解，可以采用基于连续凸逼近(SCA，Successive Convex Approximation)的交替迭代算法。SCA主要思想为：经过迭代求解一系列与原问题类似的凸优化问题的解，当最终收敛条件成立时，此时获得的解即可以近似当作原问题的解。由于变量之间的高度耦合，本发明实施例中，可以进一步利用基于SCA的交替迭代算法对上述多个系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，以最终得到目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
可选地，上述对系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，得到目标通信系统对应的优化的系统设计变量，包括：
针对当前轮迭代，固定飞行轨迹变量、第一时间分配比例变量、第二时间分配比例变量、第一发射功率变量以及第二发射功率变量分别为上一轮迭代的求解值，对连接指示变量和传输功率变量进行优化求解；
固定飞行轨迹变量、第一时间分配比例变量和第二时间分配比例变量分别为上一轮迭代的求解值，固定连接指示变量和传输功率变量分别为当前轮迭代的求解值，对第一发射功率变量和第二发射功率变量进行优化求解；
固定连接指示变量、传输功率变量、第一发射功率变量和第二发射功率变量分别为当前轮迭代的求解值，对飞行轨迹变量、第一时间分配比例变量和第二时间分配比例变量进行优化求解；
不断进行迭代，直至确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则，迭代停止，得到目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
其中，所述确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则，包括：若当前轮迭代求解得到的模型目标函数值与上一轮迭代求解得到的模型目标函数值之间的差值小于等于预设阈值，则确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则。
下面以上述系统设计模型的优化问题P1的求解过程为例，对本发明实施例提供的方法进行举例说明。
首先，为了使得原问题更加易处理，针对二值变量限制即约束(16)，给出以下转换形式：
Figure BDA0003220765760000151
Figure BDA0003220765760000152
此时，二值变量转换为了连续变量。为了使得转换后的优化问题与原优化问题等价，在目标函数设立惩罚项，令ρ为惩罚因子，当ρ取值足够大，转化后的优化问题可以视作与原问题等价，此时，原问题P1可以转换为问题P2：
Figure BDA0003220765760000153
Figure BDA0003220765760000154
(17)-(29)
由于变量之间的高度耦合，致使问题P1在经过变量连续化之后仍然是一个棘手的非凸优化问题。为了克服上述问题，本实施例将利用块迭代技术将问题P2解耦为三个子问题，并提出一种基于连续凸逼近的交替迭代算法实现问题P2的高效求解。
A、联合优化连接指示变量xk,m,n和传输功率变量
Figure BDA0003220765760000155
在子问题1，固定飞行轨迹变量qm,n、第一时间分配比例变量αn、第二时间分配比例变量βn、第一发射功率变量pk,m,n以及第二发射功率变量
Figure BDA0003220765760000156
联合优化连接指示变量xk,m,n和传输功率变量
Figure BDA0003220765760000157
由于DCP(Disciplined Convex Programming，凸线性规划准则)准则，非线性能量获取的表达式无法利用CVX求解器进行求解，因此，本实施例利用一阶泰勒展开逼近该表达式：
Figure BDA0003220765760000161
其中，参数的右上角标(l)代表该参数在第l轮迭代的值，如
Figure BDA0003220765760000162
和
Figure BDA0003220765760000163
分别表示第l轮迭代的
Figure BDA0003220765760000164
和
Figure BDA0003220765760000165
下文参数表述采用类似方式，不再赘述；
Figure BDA0003220765760000166
表示
Figure BDA0003220765760000167
的逼近值。
此时，原优化问题P2可以进一步表示为问题P3：
Figure BDA0003220765760000168
Figure BDA0003220765760000169
Figure BDA00032207657600001610
Figure BDA00032207657600001611
Figure BDA00032207657600001612
Figure BDA00032207657600001613
Figure BDA00032207657600001614
Figure BDA00032207657600001615
Figure BDA00032207657600001616
此时，P3是一个凸优化问题，可借助CVX求解器进行求解。
B、联合优化第一发射功率变量pk,m,n和第二发射功率变量
Figure BDA00032207657600001617
在子问题2，固定飞行轨迹变量qm,n、第一时间分配比例变量αn、第二时间分配比例变量βn、连接指示变量xk,m,n和传输功率变量
Figure BDA0003220765760000171
联合优化第一发射功率变量pk,m,n和第二发射功率变量
Figure BDA0003220765760000172
显然地，地面节点传输速率关于传输功率是一个凹函数，致使信息时效性约束是一个非凸约束，为此，我们利用SCA得到其全局上界，即：
Figure BDA0003220765760000173
此时，原优化问题P2可以进一步表示为问题P4：
Figure BDA0003220765760000174
Figure BDA0003220765760000175
Figure BDA0003220765760000176
Figure BDA0003220765760000177
Figure BDA0003220765760000178
Figure BDA0003220765760000179
Figure BDA00032207657600001710
此时，P4是一个标准的凸优化问题，可借助CVX求解器求解。
C、联合优化飞行轨迹变量qm,n、第一时间分配比例变量αn和第二时间分配比例变量βn
在子问题3，固定连接指示变量xk,m,n、传输功率变量
Figure BDA00032207657600001711
第一发射功率变量pk,m,n和第二发射功率变量
Figure BDA00032207657600001712
联合优化飞行轨迹变量qm,n、第一时间分配比例变量αn和第二时间分配比例变量βn。由于目标函数以及约束条件的非凸性质，本实施例中，首先引入辅助变量lm,n：
Figure BDA0003220765760000181
可以等价于：
Figure BDA0003220765760000182
可以发现，UAV飞行能量消耗
Figure BDA0003220765760000183
是一个关于变量lm,n和qm,n的凸函数，因此有：
Figure BDA0003220765760000184
而对于额外的限制条件：
Figure BDA0003220765760000185
可以发现该限制条件的右手边(Right Hand Side，RHS)是一个关于变量lm,n和qm,n的联合凸函数，回顾到任一凸函数的一阶泰勒展开为其全局下界，因此可以得到该不等式右手边RHS的下界：
Figure BDA0003220765760000186
此外，通过对安全距离限制(即约束(29))的LHS使用一阶泰勒展开，可以得到：
Figure BDA0003220765760000187
进一步，由于地面节点与无人机的通信速率关于qm,n与αn是一个非凹函数，因此，为了解决变量之间的耦合，引入辅助变量
Figure BDA0003220765760000188
Figure BDA0003220765760000189
可以发现上式(56)的RHS关于qm,n不是一个凹函数，而关于
||qm,n-wk||2是一个标准的凸函数，因此可以得到其全局下界。为此，引入的约束可以转换为：
Figure BDA0003220765760000191
所以QoS约束以及信息新鲜度约束可以转换为：
Figure BDA0003220765760000192
Figure BDA0003220765760000193
明显地，
Figure BDA0003220765760000194
是一个凸函数，因此信息新鲜度约束是一个凸约束。进一步，通过对
Figure BDA0003220765760000195
进行一阶泰勒展开可以得到其全局下界：
Figure BDA0003220765760000196
因此，信息新鲜度约束可以进一步转化为：
Figure BDA0003220765760000197
为了使得能量获取表达式更易处理，引入辅助变量Uk,m,n：
Figure BDA0003220765760000198
则地面节点k在时隙n从UAVm所获取的能量
Figure BDA0003220765760000199
的下界
Figure BDA00032207657600001910
可以表示为：
Figure BDA00032207657600001911
同时为了解决时间分配变量与轨迹变量在能量获取表达式里的耦合，引入辅助变量
Figure BDA00032207657600001912
即：
Figure BDA00032207657600001913
可以发现引入限制条件(64)的RHS关于Uk,m,n是一个凸函数。因此，可以得到其一阶全局下界：
Figure BDA0003220765760000201
其中，
Figure BDA0003220765760000202
表示
Figure BDA0003220765760000203
的逼近值。则引入的限制条件(64)可以转换为：
Figure BDA0003220765760000204
同时引入辅助变量的限制(64)右侧关于变量Uk,m,n是一个凸函数，因此利用一阶泰勒展开得到其全局下界：
Figure BDA0003220765760000205
进一步，通过对
Figure BDA0003220765760000206
进行一阶泰勒展开可以得到其全局下界：
Figure BDA0003220765760000207
其中，
Figure BDA0003220765760000208
表示
Figure BDA0003220765760000209
的逼近值。P2可以转化为问题P5：
Figure BDA00032207657600002010
Figure BDA00032207657600002011
Figure BDA00032207657600002012
Figure BDA00032207657600002013
Figure BDA0003220765760000211
Figure BDA0003220765760000212
Figure BDA0003220765760000213
Figure BDA0003220765760000214
Figure BDA0003220765760000215
Figure BDA0003220765760000216
Figure BDA0003220765760000217
Figure BDA0003220765760000218
Figure BDA0003220765760000219
Figure BDA00032207657600002110
此时，P5是一个标准的凸优化问题，可利用CVX求解器求解。
图3为本发明提供的联合优化系统设计变量的流程示意图，如图3所示，首先对各求解变量进行初始化，即给定第0轮迭代的变量值进行第1轮迭代求解，然后先求解问题P3，固定qm,n、αn、βn、pk,m,n以及
Figure BDA00032207657600002111
分别为初始值，对xk,m,n和
Figure BDA00032207657600002112
进行优化求解，得到第1轮迭代对应的xk,m,n和
Figure BDA0003220765760000221
最优解；然后，求解问题P4，固定qm,n、αn和βn分别为初始值，xk,m,n和
Figure BDA0003220765760000222
分别为第1轮迭代对应的最优解，对pk,m,n和
Figure BDA0003220765760000223
进行优化求解，得到第1轮迭代对应的pk,m,n和
Figure BDA0003220765760000224
最优解；然后，求解问题P5，固定xk,m,n、
Figure BDA0003220765760000225
pk,m,n和
Figure BDA0003220765760000226
分别为第1轮迭代对应的最优解，对qm,n、αn和βn进行优化求解，得到第1轮迭代对应的qm,n、αn和βn最优解，包括引入的辅助变量在第1轮迭代对应的最优解；求解得到第1轮迭代对应的各变量最优解后，将其代入目标函数，可以得到对应第1轮迭代的模型目标函数值，判断该模型目标函数值是否满足收敛判别准则，例如，若该模型目标函数值与上一轮迭代对应的模型目标函数值之间的差值大于预设阈值(该预设阈值可灵活设置，在此不做限制)，则确定该模型目标函数值不满足收敛判别准则，则进行下一轮迭代，否则，迭代结束，输出各变量的最优解。
下面对本发明提供的空天地无线携能通信系统设计装置进行描述，下文描述的空天地无线携能通信系统设计装置与上文描述的空天地无线携能通信系统设计方法可相互对应参照。
图4为本发明提供的空天地无线携能通信系统设计装置的结构示意图，如图4所示，该装置包括：
获取模块400，用于获取目标通信系统的设计参数；
确定模块410，用于基于设计参数和系统设计模型，确定目标通信系统对应的优化的系统设计变量；
其中，系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；
系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化系统设计变量的优化模型。
可选地，所述地面节点和无人机群组的加权剩余能量的表达式为：
Figure BDA0003220765760000231
其中，
Figure BDA0003220765760000232
表示地面节点k的任务初始能量，
Figure BDA0003220765760000233
表示无人机m的任务初始能量，
Figure BDA0003220765760000234
表示地面节点k在第n个时隙转换后的能量，
Figure BDA0003220765760000235
表示地面节点k在第n个时隙所消耗的能量，
Figure BDA0003220765760000236
表示无人机m在第n个时隙所消耗的能量，
Figure BDA0003220765760000237
表示地面节点k的权重系数，
Figure BDA0003220765760000238
表示无人机m的权重系数，K、M和N分别表示目标通信系统中的地面节点数量、无人机数量和任务时间被离散化的时隙数。
可选地，所述地面节点k在第n个时隙转换后的能量
Figure BDA0003220765760000239
是基于非线性能量转换模型确定的，非线性能量转换模型表达式为：
Figure BDA00032207657600002310
其中，
Figure BDA00032207657600002311
a1、a2以及V是与电路规格有关的常数，
Figure BDA00032207657600002312
为地面节点k在第n个时隙从无人机m接收到的输入功率，Φk,m,n为
Figure BDA00032207657600002313
转换后的功率。
可选地，所述确定模块410，用于：基于连续凸逼近的交替迭代算法，对系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，得到目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
可选地，所述对系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，得到目标通信系统对应的优化的系统设计变量，包括：针对当前轮迭代，固定飞行轨迹变量、第一时间分配比例变量、第二时间分配比例变量、第一发射功率变量以及第二发射功率变量分别为上一轮迭代的求解值，对连接指示变量和传输功率变量进行优化求解；固定飞行轨迹变量、第一时间分配比例变量和第二时间分配比例变量分别为上一轮迭代的求解值，固定连接指示变量和传输功率变量分别为当前轮迭代的求解值，对第一发射功率变量和第二发射功率变量进行优化求解；固定连接指示变量、传输功率变量、第一发射功率变量和第二发射功率变量分别为当前轮迭代的求解值，对飞行轨迹变量、第一时间分配比例变量和第二时间分配比例变量进行优化求解；不断进行迭代，直至确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则，迭代停止，得到目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
可选地，所述确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则，包括：若当前轮迭代求解得到的模型目标函数值与上一轮迭代求解得到的模型目标函数值之间的差值小于等于预设阈值，则确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则。
在此需要说明的是，本发明提供的上述装置，能够实现上述方法实施例所实现的所有方法步骤，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与方法实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。
图5为本发明提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行上述各实施例提供的任一所述空天地无线携能通信系统设计方法的步骤，例如：获取目标通信系统的设计参数；基于设计参数和系统设计模型，确定目标通信系统对应的优化的系统设计变量；其中，系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化系统设计变量的优化模型。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明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实施例提供的任一所述空天地无线携能通信系统设计方法的步骤，例如：获取目标通信系统的设计参数；基于设计参数和系统设计模型，确定目标通信系统对应的优化的系统设计变量；其中，系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化系统设计变量的优化模型。
又一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各实施例提供的任一所述空天地无线携能通信系统设计方法的步骤，例如：获取目标通信系统的设计参数；基于设计参数和系统设计模型，确定目标通信系统对应的优化的系统设计变量；其中，系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化系统设计变量的优化模型。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述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。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
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；而这些修改或者替换，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)

1.一种空天地无线携能通信系统设计方法，其特征在于，包括：
获取目标通信系统的设计参数；
基于所述设计参数和系统设计模型，确定所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量；
其中，所述系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；
所述系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化所述系统设计变量的优化模型。
2.根据权利要求1所述的空天地无线携能通信系统设计方法，其特征在于，所述地面节点和无人机群组的加权剩余能量的表达式为：
Figure FDA0003220765750000011
其中，
Figure FDA0003220765750000012
表示地面节点k的任务初始能量，
Figure FDA0003220765750000013
表示无人机m的任务初始能量，
Figure FDA0003220765750000014
表示地面节点k在第n个时隙转换后的能量，
Figure FDA0003220765750000015
表示地面节点k在第n个时隙所消耗的能量，
Figure FDA0003220765750000016
表示无人机m在第n个时隙所消耗的能量，
Figure FDA0003220765750000017
表示地面节点k的权重系数，
Figure FDA0003220765750000018
表示无人机m的权重系数，K、M和N分别表示所述目标通信系统中的地面节点数量、无人机数量和任务时间被离散化的时隙数。
3.根据权利要求2所述的空天地无线携能通信系统设计方法，其特征在于，所述地面节点k在第n个时隙转换后的能量
Figure FDA0003220765750000021
是基于非线性能量转换模型确定的，所述非线性能量转换模型表达式为：
Figure FDA0003220765750000022
其中，
Figure FDA0003220765750000023
a2以及V是与电路规格有关的常数，
Figure FDA0003220765750000024
为地面节点k在第n个时隙从无人机m接收到的输入功率，Φk,m,n为
Figure FDA0003220765750000025
转换后的功率。
4.根据权利要求1至3任一项所述的空天地无线携能通信系统设计方法，其特征在于，所述基于所述设计参数和系统设计模型，确定所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量，包括：
基于连续凸逼近的交替迭代算法，对系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，得到所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
5.根据权利要求4所述的空天地无线携能通信系统设计方法，其特征在于，所述对系统设计变量分别进行交替固定和迭代求解，得到所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量，包括：
针对当前轮迭代，固定所述飞行轨迹变量、所述第一时间分配比例变量、所述第二时间分配比例变量、所述第一发射功率变量以及所述第二发射功率变量分别为上一轮迭代的求解值，对所述连接指示变量和所述传输功率变量进行优化求解；
固定所述飞行轨迹变量、所述第一时间分配比例变量和所述第二时间分配比例变量分别为上一轮迭代的求解值，固定所述连接指示变量和所述传输功率变量分别为当前轮迭代的求解值，对所述第一发射功率变量和所述第二发射功率变量进行优化求解；
固定所述连接指示变量、所述传输功率变量、所述第一发射功率变量和所述第二发射功率变量分别为当前轮迭代的求解值，对所述飞行轨迹变量、所述第一时间分配比例变量和所述第二时间分配比例变量进行优化求解；
不断进行迭代，直至确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则，迭代停止，得到所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量。
6.根据权利要求5所述的空天地无线携能通信系统设计方法，其特征在于，所述确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则，包括：
若当前轮迭代求解得到的模型目标函数值与上一轮迭代求解得到的模型目标函数值之间的差值小于等于预设阈值，则确定当前轮迭代求解得到的模型目标函数值满足收敛判别准则。
7.一种空天地无线携能通信系统设计装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取目标通信系统的设计参数；
确定模块，用于基于所述设计参数和系统设计模型，确定所述目标通信系统对应的优化的系统设计变量；
其中，所述系统设计变量包括用于指示地面节点与无人机建立数据连接的连接指示变量、地面节点与无人机通信的第一发射功率变量、无人机与卫星通信的第二发射功率变量、无人机向地面节点传输能量的传输功率变量、无人机的飞行轨迹变量、地面节点与无人机通信的第一时间分配比例变量以及地面节点接收无人机传输能量的第二时间分配比例变量；
所述系统设计模型为以最大化地面节点和无人机群组的加权剩余能量为优化目标，以连接指示变量约束、时间分配比例约束、地面节点和无人机的功率约束、能量中立约束、无人机的能量持续性约束、信息新鲜度约束、地面节点的服务质量QoS约束、无人机的最大飞行速率约束以及无人机的飞行轨迹约束为约束条件，共同优化所述系统设计变量的优化模型。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述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至6任一项所述空天地无线携能通信系统设计方法的步骤。
9.一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，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述空天地无线携能通信系统设计方法的步骤。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述空天地无线携能通信系统设计方法的步骤。
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