【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及無人機中繼通信，具體的是基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法及系統。
技術介紹
1、與傳統的地面固定位置中繼相比，無人機作為空中移動中繼具有可按需部署、通過優化無人機的飛行軌跡提升通信系統性能等優點，被廣泛應用于無線中繼通信中。作為無人機中繼通信的最主要的性能指標之一，無人機中繼通信系統的吞吐量最大化問題得到了廣泛的研究。然而，大部分的研究吞吐量最大化問題的工作沒有考慮無人機的能耗問題。由于無人機攜帶的燃料或電池容量是有限的，無人機過高的能耗將導致其較短的中繼服務時間，從而影響通信系統的吞吐量性能，故無人機的能耗問題至關重要，不容忽視。
2、在無人機中繼通信中，無人機可以采用半雙工或者全雙工方式為用戶提供中繼服務。與半雙工方式需要將時間或頻譜進行劃分才能實現雙向通信相比，全雙工方式可以同時同頻段接收和發送數據，可以在很大程度上提高系統的吞吐量、節約頻譜資源。現有的研究無人機中繼通信吞吐量最大化的方法中，大多數采用的是半雙工方式，考慮全雙工方式的無人機中繼在目前的研究中比較少見，而考慮無人機能耗問題的全雙工無人機中繼通信的吞吐量最大化問題更是未得到研究。
技術實現思路
1、為解決上述
技術介紹
中提到的不足，本專利技術的目的在于提供基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法及系統，以無人機中繼通信系統的吞吐量最大化為優化目標，建立無人機中繼通信系統吞吐量優化問題，將無人機的能耗作為優化問題的約束條件之一，通過問題分解分別求解發射功率優化子問題和無人機軌
2、第一方面，本專利技術的目的可以通過以下技術方案實現：基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，方法包括以下步驟：
3、接收發射端用戶和無人機的發射功率以及無人機的軌跡，將發射端用戶和無人機的發射功率以及無人機的軌跡輸入至預先建立的無人機中繼通信系統模型內；
4、在無人機中繼通信系統模型內，以吞吐量最大化為優化目標，結合多個優化約束，使用凸優化求解器進行求解，通過聯合交替迭代優化，輸出得到發射端用戶和無人機的發射功率最優解以及無人機的軌跡最優解。
5、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，該方法還包括：所述預先建立的無人機中繼通信系統模型包括發射端用戶s、接收端用戶d和采用全雙工譯碼轉發協議的無人機r，發射端用戶s需要傳輸給接收端用戶d的數據通過采用全雙工譯碼轉發協議的無人機r進行中繼轉發。
6、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，該方法還包括：所述多個優化約束包括發射端用戶和無人機的發射功率約束、信息因果約束、無人機的起止位置、速度和加速度以及能耗約束；
7、且求解過程中無人機中繼通信系統吞吐量優化問題為p1，功率優化子問題p2和軌跡優化子問題p3，利用連續凸逼近方法將問題p2和p3轉換為凸優化問題并使用凸優化求解器進行求解。
8、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，該方法還包括：所述無人機中繼通信系統模型在通信時間t秒內，吞吐量r表示如下：
9、
10、其中，b為無人機中繼通信系統的帶寬，n表示將通信時間t劃分的時隙個數，n表示第n個時隙，n∈{1,...,n}，δ為每個時隙的時長，rrd(n)為第n個時隙無人機r到接收端用戶d的瞬時信道容量。
11、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，該方法還包括：所述將發射端用戶和無人機的發射功率以及無人機的軌跡輸入至預先建立的無人機中繼通信系統模型內的計算過程如下：
12、
13、約束如下：s.t.c1:
14、c2:
15、c3:
16、c4:
17、c5:v(1)＝v0,q(1)＝[x0,y0]
18、c6:v(n+1)＝vf,q(n+1)＝[xf,yf]
19、c7:
20、c8:
21、c9:
22、c10:
23、c11:
24、其中，ps(n),pr(n)分別表示第n個時隙內發射端用戶和無人機的發射功率，q(n)表示第n個時隙無人機的水平坐標；a(n)，v(n)和q(n)分別表示第n個時隙無人機的加速度、速度和水平坐標；c1表示信息因果約束，其中rsr(i)為第i個時隙發射端用戶s到無人機r的瞬時信道容量；c2表示無人機的能耗約束，其中e表示無人機在時間t內的飛行能耗，不超過預設的能耗值c3表示任意時隙內發射端用戶的發射功率不超過預設的最大發射功率psmax，無人機的發射功率不超過預設的最大發射功率prmax；c4表示所有時隙內發射端用戶的平均發射功率不超過預設的平均功率無人機的平均發射功率不超過預設的平均功率c5～c6表示無人機的起止速度和起止位置約束，v(1)和v(n+1)分別表示無人機的初速度v0和末速度vf，q(1)和q(n+1)分別表示無人機的初始位置[x0,y0]和終止位置[xf,yf]，下標f表示終止；c7～c8表示無人機的水平坐標q(n)、飛行速度v(n)和加速度a(n)之間的線性關系；c9～c11表示無人機的速度和加速度約束，無人機的飛行速度v(n)不超過無人機飛行速度最大值vmax、不小于無人機飛行速度最小值vmin，無人機的飛行加速度a(n)不超過無人機飛行加速度最大值amax。
25、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，該方法還包括：所述使用凸優化求解器進行求解得到發射端用戶和無人機的發射功率最優解的過程包括引入松弛變量將rsr(n)進行一階泰勒展開的過程：
26、
27、約束如下：s.t.c3,c4
28、
29、
30、其中分別表示第j+1次迭代中第n個時隙內發射端用戶和無人機的發射功率，為第j+1次迭代中松弛變量的取值，表示第j+1次迭代中第i個時隙內發射端用戶到無人機的瞬時信道容量rsr(i)關于第i個時隙無人機的發射功率pr(i)的一階泰勒展開值。
31、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，該方法還包括：所述使用凸優化求解器進行求解得到無人機的軌跡最優解的過程包括引入松弛變量rr(n)和τ(n)、將rsr(n)和rrd(n)進行一階泰勒展開：
32、
33、約束如下：s.t.c5,c6,c7,c8,c9,c11
34、c12:
35、c13:
36、c14:
37、c15:
38、c16:
39、其中，和分別表示第j+1次迭代中rsr(n)和rrd(n)的一階泰勒展開值，qj+1(n)表示第j+1次迭代中無人機的水平坐標，和τj+1(n)表示第j+1次迭代中松弛變量rr(n)和τ(n)的取值，表示第j+1次迭代中無人機能耗的上限值，[]t表示轉置。
40、結合第一方面，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述預先建立的無人機中繼通信系統模型包括發射端用戶S、接收端用戶D和采用全雙工譯碼轉發協議的無人機R，發射端用戶S需要傳輸給接收端用戶D的數據通過采用全雙工譯碼轉發協議的無人機R進行中繼轉發。
3.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述多個優化約束包括發射端用戶和無人機的發射功率約束、信息因果約束、無人機的起止位置、速度和加速度以及能耗約束；
4.根據權利要求2所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述無人機中繼通信系統模型在通信時間T秒內，吞吐量R表示如下：
5.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述將發射端用戶和無人機的發射功率以及無人機的軌跡輸入至預先建立的無人機中繼通信系統模型內的計算過程如下：
6.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無
7.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述使用凸優化求解器進行求解得到無人機的軌跡最優解的過程包括引入松弛變量Rr(n)和τ(n)、將RSR(n)和RRD(n)進行一階泰勒展開：
8.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述通過聯合交替迭代優化，輸出得到發射端用戶和無人機的發射功率最優解以及無人機的軌跡最優解的過程為：
9.基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化系統，其特征在于，包括：
10.根據權利要求9所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化系統，其特征在于，所述數據輸入模塊內預先建立的無人機中繼通信系統模型包括發射端用戶S、接收端用戶D和采用全雙工譯碼轉發協議的無人機R，發射端用戶S需要傳輸給接收端用戶D的數據通過采用全雙工譯碼轉發協議的無人機R進行中繼轉發；
...【技術特征摘要】
1.基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，方法包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述預先建立的無人機中繼通信系統模型包括發射端用戶s、接收端用戶d和采用全雙工譯碼轉發協議的無人機r，發射端用戶s需要傳輸給接收端用戶d的數據通過采用全雙工譯碼轉發協議的無人機r進行中繼轉發。
3.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述多個優化約束包括發射端用戶和無人機的發射功率約束、信息因果約束、無人機的起止位置、速度和加速度以及能耗約束；
4.根據權利要求2所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述無人機中繼通信系統模型在通信時間t秒內，吞吐量r表示如下：
5.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大化的無人機中繼通信聯合優化方法，其特征在于，所述將發射端用戶和無人機的發射功率以及無人機的軌跡輸入至預先建立的無人機中繼通信系統模型內的計算過程如下：
6.根據權利要求1所述的基于吞吐量最大...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳永紅，
申請(專利權)人：江蘇工程職業技術學院，
類型：發明
國別省市：
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