CN116545515A - 一种基于无人机群的高效数据传输方法 - Google Patents

一种基于无人机群的高效数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无人机群的高效数据传输方法，属于移动通信技术领域。由于无人机UAV具有移动性强、部署灵活以及视距链路等优点，无人机在无线通信领域的应用日益广泛。无人机中继能够有效扩大通信范围、提升系统容量、提升通信系统的可靠性。本发明提出了一种基于无人机群的高效数据传输方法，其中多个无人机作为中继可协助多对地面用户之间的信息交换。首先，构建包括无人机、源设备和目的设备的无人机中继通信网络场景，在每个时隙分别建立源设备和无人机数据传输模型。其次，构建最大化系统最小链路平均吞吐量的优化模型。最后，基于块坐标下降法将优化问题解耦成用户调度、无人机飞行轨迹和发射功率三个子问题并通过交替迭代算法求解。

Description

一种基于无人机群的高效数据传输方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种基于无人机群的高效数据传输方法。
背景技术
传统的地面通信系统主要依赖地面通信基础设施，例如基站。然而，利用无人机空基平台协助式通信的方式具有更低的成本，并且具备其他明显的优势。首先，无人机具有高度机动性，因此无人机协助式通信系统的部署更加快捷灵活，适用于特定场景或紧急情况。其次，相对于地面系统中的地对地通信链路，无人机对地通信链路更有可能是视距链路，从而提供更大的通信信道容量。
在无线通信中，中继技术是一种有效提升吞吐量和可靠性的方法，同时可以扩展通信范围。但由于有限回程链路等实际约束问题，大部分现有中继系统被部署在固定位置上。相比传统的静态中继，无人机作为移动中继技术具有自适应调整飞行路径的能力，以获取更好的信道条件。通过利用无人机的运动自由度，可以显著提高通信端到端的吞吐量，并增加通信覆盖范围和信道容量。然而，目前关于无人机中继通信系统的研究大多仅考虑单一数据链路，即从一个信源到一个目的用户的情况。然而，在一些信息密集区域中，单一数据链路已无法满足高信息量需求。此外，在涉及物联网设备的场景中，实时数据收集变得至关重要，需要在数据失去价值或被新数据覆盖之前提取数据。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无人机群的高效数据传输方法，该方法联合优化无人机轨迹，通信资源分配，通信调度以最大化系统最小链路平均吞吐量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于无人机群的高效数据传输方法，该方法包括以下步骤：
S101：构建包括无人机、源设备和目的设备的无人机中继通信网络场景；
S102：设定无人机总工作时间和通信时隙数，在每个时隙分别建立源设备和无人机数据传输模型；
S103：通过源设备和无人机的数据传输模型，分别计算各时隙每个无人机和源设备的信息传输速率；
S104：计算每个源-目的对在N个时隙的平均信息传输速率并构建优化问题；
S105：结合无人机轨迹、发射功率、通信调度来最大化系统最小链路平均吞吐量。
进一步，在S101中，建立一个无人机群中继多个源-目的地对模型，该模型由M个UAV和K个源-目的地对组成，设UAV的集合为M＝{1,...,M}，源设备的集合为S＝{S1,...,Sk}，目的设备的集合为D＝{D1,...,Dk}。UAV充当中继以支持K个地面源节点与各自地面目的节点同时通信。假设每个源-目的对都不能直接通信，两个节点之间的距离过大且有障碍物阻挡导致无法正常通信，UAV配备了一个全双工线，可以同时用于数据传输和接收。
其中，源设备只能在给定的期限内上传，这些数据所携带即为有效信息，超过给定期限则信息无效。例如，在自然灾害期间，需要及时收集具体的重要数据，以便对特定地区的现状进行系统评价。UAV必须在设备k截止时间δk之前传输其信息。假设设备的位置及其对应的数据大小、数据生成时间ρk和数据传输截止时间δk已知。
进一步，在S102中，设定UAV的一个飞行周期持续时间为T秒，将时间T分为N个时隙，每个时隙长度为dt秒，即T＝Ndt秒，每个时隙内每个UAV是近似静止的。令和/>分别表示第k对源设备和目的设备的三维笛卡尔坐标，其中/> UAVm的位置用qm[n]表示，qm[n]＝[xm[n],ym[n],hm[n]]T。
vmax表示UAV的最大速度，UAV在一个时隙内飞行的最大距离等于V＝vmaxdt。定义q0,m和qf,m分别表示UAVm的初始位置和最终位置，则q0,m＝qm[1]，qf,m＝qm[N]。
设从源设备到UAV以及从UAV到目的设备的无线信道为LoS信道。因此在时隙n处，从源设备k到UAVm的信道功率增益和从UAVm到目的设备k的信道功率增益分别表示为:
其中，表示源设备k到UAV m的距离，/>表示UAV m到目的设备k的距离。
进一步，在S103中，设每个UAV传输带宽为B，不同的UAV使用不同的频段。ε为自干扰消除系数。在时隙n，源设备k到UAV m的上行链路传输速率和UAV m到目的设备k的下行链路传输速率/>分别表示为：
进一步，在S104中，第k对源-目的地对在N个时隙的平均吞吐量定义为：
本发明的优化目标为最大化最小源-目的设备对的平均吞吐量，即同时联合优化UAV轨迹Q、用户调度α以及UAV和源设备的发射功率P。
进一步，在S105中，利用块坐标下降法将优化问题分解为三个子问题，再通过交替迭代优化求解。
本发明的有益效果在于：为了确保信息热点地区的信息能够实时可靠地传输，无人机中继系统需要部署多个并行数据链路。这样，多个信源可以通过多个无人机中继同时将信息传输给多个目的地用户。此外，为了解决物联网设备数据上传时效问题，通过优化无人机轨迹和功率资源分配，使无人机群能够传输尽可能多的数据，从而提高系统的吞吐量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为系统模型图；
图2为基于无人机群的高效数据传输方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参阅图1和图2，一种基于无人机群的高效数据传输方法，包括以下步骤：
S101：构建包括无人机、源设备和目的设备的无人机中继通信网络场景；
该场景中有M个UAV和K个源-目的地对。UAV充当中继以支持K个地面源节点与各自地面目的节点的同时通信。UAV配备了一个全双工线，可以同时用于数据传输和接收。
S102：在无人机中继通信网络场景中，每个时隙分别建立源设备和无人机数据传输模型；
T表示UAV的飞行时长。为了便于轨迹优化，将飞行时间T离散为N个相等的时隙。时隙的长度为足够小的dt＝T/N，每个时隙内每个UAV近似静止。设从源设备到UAV以及从UAV到目的设备的无线信道为LoS信道。在n时隙，从源设备k到UAV m的信道功率增益和从UAV m到目的k的信道功率增益/>分别表示为:
其中β0为参考距离为1m时的信道增益，表示源设备k到UAV m的距离，/>表示UAV m到目的设备k的距离，其表达式分别为：
S103：通过源设备和无人机的数据传输模型，分别计算各时隙每个无人机和源设备的信息传输速率；
在全双工网络中，自干扰信号与全双工节点的发射功率相关，设ε为自干扰消除系数。源设备k到UAV m的上行链路传输速率和UAV m到目的地k的下行链路传输速率分别为：
其中为在时隙n,源设备k向UAV m的发射功率，/>为在时隙n，UAV m向目的设备k的发射功率,σ2为噪声功率。
S104：计算每个源-目的地对在N个时隙的平均传输速率；
第k对源-目的地对在N个时隙的平均传输速率定义为：
其中全双工二元指示变量αm,k[n]表示在时隙n源-目的地对和UAVm相匹配，即在时隙n源k将数据上传到UAVm，并且UAVm也将数据传输到目的地k。
S105：构建最大化系统最小链路平均吞吐量的优化模型以及满足的各约束条件；
(1)最小和最大高度约束
受地形、建筑物规避和政府法规的影响，UAVk高度在[hmin,hmax]范围内,其中hmin和hmax为UAV的最小和最大允许飞行高度:
(2)初始和终点位置约束
无人机在给定的位置起飞和降落，UAV的初始位置和终点位置可以表示为：
其中，q0,m和qf,m分别表示UAVm的初始位置和最终位置。
(3)UAV最大和最小速度约束
UAV在飞行过程中的速度需要满足以下约束：
其中UAV在一个时隙内飞行的最大距离V＝vmaxdt，vmax表示UAV的最大速度。
(4)防碰撞约束
为了保障安全，UAV在飞行过程中需要和其他无人机保持一定的距离，因此UAV的轨迹需要满足以下约束：
式中dmin表示任何时隙任意两个UAV之间允许的最小距离。
(5)用户调度约束
在任一时隙，一个UAV最多只和一个源-目的对匹配，并且一个源-目的对最多也只和一个UAV匹配，对于全双工二元指示变量αm,k[n]有如下约束：
(6)发射功率约束
时隙n，源设备k向UAV m的发射功率UAV m向目的设备k的发射功率/>受以下平均值和最大值约束：
(7)信息有效性约束
UAV必须在每个设备k的有效期限内中继其信息，源k到UAV m的数据传输需要在[ρk,δk]之间，源设备k有如下发射功率约束：
(8)信息因果性约束
源设备k在前n个时隙发送给UAV m的数据应该大于等于UAV m发送给目的地k的数据量，假设UAV中继的数据处理延迟为一个时隙，有如下约束：
S106：结合无人机轨迹、通信资源、通信调度来最大化系统最小链路平均吞吐量；
无人机轨迹与通信调度和传输功率联合优化模型表达式如下。该中继系统包含多对用户。
优化变量为M个UAV的轨迹M个UAV和K个源设备的发射功率二元指示变量/>目标是最大化最小源-目的地对平均吞吐量/>令/>问题转化为/>则优化问题可建模为：
该优化问题是0-1整型非凸优化问题。
S107：采用块坐标下降法和逐次凸逼近技术来求解无人机轨迹、发射功率和通信调度。
块坐标下降法(Block Coordinate Descent Method，BCD)技术的核心思想是交替更新不同的变量块。将原优化问题分解成三个子问题，通过交替求解三个子问题就可以找到原优化问题的局部最优解。
子问题1：将二元变量A松弛为连续形式，约束可写成在无人机的轨迹Q和发射功率P固定的情况下，用户调度子问题可表示为：
问题P2是一个线性规划问题，可以通过凸优化技术获得最优解。
子问题2：基于子问题1的结果，固定无人机和源设备的发射功率P，轨迹优化子问题可表示为：
子问题3：基于子问题1和2的结果，功率优化子问题可表示为：
由于子问题2和子问题3为非凸优化问题，采用逐次凸逼近(SCA)法求解。
进一步，采用块坐标迭代算法将三个子问题进行迭代求解，直到迭代误差小于门限值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于无人机群的高效数据传输方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S101：构建包括无人机、源设备和目的设备的无人机中继通信网络场景；
S102：设定无人机总工作时间和通信时隙数，在每个时隙分别建立源设备和无人机数据传输模型；
S103：通过源设备和无人机的数据传输模型，分别计算各时隙每个无人机和源设备的信息传输速率；
S104：计算每个源-目的对在N个时隙的平均信息传输速率并构建优化问题；
S105：结合无人机轨迹、发射功率、通信调度来最大化系统最小链路平均吞吐量。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机群的高效数据传输方法，其特征在于：在所述S101中，建立一个无人机群中继多个源-目的地对模型，该模型由M个UAV和K个源-目的地对组成，设UAV的集合为M＝{1,...,M}，源设备的集合为S＝{S1,...,Sk}，目的设备的集合为D＝{D1,...,Dk}；UAV充当中继以支持K个地面源节点与各自地面目的节点同时通信；假设每个源-目的对都不能直接通信，两个节点之间的距离过大且有障碍物阻挡导致无法正常通信，UAV配备了一个全双工线，同时用于数据传输和接收；
其中，源设备只能在给定的期限内上传，这些数据所携带即为有效信息，超过给定期限则信息无效。
3.根据权利要求2所述的一种基于无人机群的高效数据传输方法，其特征在于：在所述S102中，设定UAV的一个飞行周期持续时间为T秒，将时间T分为N个时隙，每个时隙长度为dt秒，即T＝Ndt秒，每个时隙内每个UAV是近似静止的；令和/>分别表示第k对源设备和目的设备的三维笛卡尔坐标，其中/>UAVm的位置用qm[n]表示，qm[n]＝[xm[n],ym[n],hm[n]]T；
vmax表示UAV的最大速度，UAV在一个时隙内飞行的最大距离等于V＝vmaxdt；定义q0,m和qf,m分别表示UAVm的初始位置和最终位置，则q0,m＝qm[1]，qf,m＝qm[N]；
设从源设备到UAV以及从UAV到目的设备的无线信道为LoS信道；在时隙n处，从源设备k到UAVm的信道功率增益和从UAVm到目的设备k的信道功率增益分别表示为：
其中，表示源设备k到UAV m的距离，/>表示UAV m到目的设备k的距离。
4.根据权利要求3所述的一种基于无人机群的高效数据传输方法，其特征在于：在所述S103中，设每个UAV传输带宽为B，不同的UAV使用不同的频段；ε为自干扰消除系数；在时隙n，源设备k到UAV m的上行链路传输速率和UAV m到目的设备k的下行链路传输速率分别表示为：
5.根据权利要求4所述的一种基于无人机群的高效数据传输方法，其特征在于：在所述S104中，第k对源-目的地对在N个时隙的平均吞吐量定义为：
优化目标为最大化最小源-目的设备对的平均吞吐量，即同时联合优化UAV轨迹Q、用户调度α以及UAV和源设备的发射功率P。
6.根据权利要求5所述的一种基于无人机群的高效数据传输方法，其特征在于：在所述S105中，利用块坐标下降法将优化问题分解为三个子问题，再通过交替迭代优化求解。
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