[发明专利]一种无人机中继多跳通信系统中的中继节点布设方法

说明书

本发明公开一种无人机中继多跳通信系统中的中继节点布设方法，在瑞利衰落信道下，提出了一种基于中断概率最小准则的无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)中继位置布设方法。首先，利用移动台的中断概率构建目标函数，再由基站与移动台之间的距离构建限制性条件，从而将UAV中继布设问题转化为一个最优化的数学模型。然后利用指数函数的单调性，以及中继UAV距基站的距离与其高度关系的假设，将该优化模型的目标函数进行简化。最后利用传统的KKT(Karush‑Kuhn‑Tucker)优化条件，对该凸优化问题进行求解，求出UAV最佳位置的闭式解，从而在保持计算精度的条件下，降低了计算复杂度，为无人机中继通信系统的设计与优化提供良好的工程借鉴。

技术领域

本发明涉及无线中继通信技术、无人机技术，属于无人机通信技术领域。

背景技术

近年来，无人机凭借其机动性好、部署与控制灵活、高空作业覆盖范围大等优点，在军事和民用领域得到了广泛的应用。它可用于战场侦察、气象监测、森林火灾探测、交通管制，以及货物运输、应急搜索和救援等等。在各种应用中，使用UAV作为无线通信的中继平台，是当前通信领域的一个研究热点。尤其是当基站(base station，BS)与移动台(mobilestation，MS)之间因距离太远或存在障碍物遮挡等因素，导致无线通信链路无法建立起来时，使用UAV作为通信中继，能快速、方便地建立起一条可靠高效的数据传输链路。因此，许多国内外学者针对如何提高基于UAV中继的无线网络通信性能进行了研究。

在文献([1]欧阳键,庄毅,薛羽等.非对称衰落信道下无人机中继传输方案及性能分析[J].航空学报,2013,34(1):130-140.)中，作者通过Monte Carlo数值仿真，得出中继无人机在不同位置处的遍历容量数值解，并绘出图像，然后进行理论上的分析，得出结论：当中继无人机靠近源节点时，应分配给中继无人机更多的信号发射功率以有效抑制链路路径损耗对系统性能带来的影响；在文献([2]P.Zhan,K.Yu and A.Lee Swindlehurst,Wireless Relay Communications using ann Unmanned Aerial Vehicle,2006IEEE 7thWorkshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications,Cannes,2006,pp.1-5.)中，作者通过Matlab仿真软件，对目标函数进行最优数值解的搜索，得出UAV最佳位置坐标的数值解，绘出图像进行分析，从而得出无人机的最佳飞行轨迹。

在已有的方法中，大多仅能通过数值仿真得出数值解，然后根据数值解和图像进行分析讨论，无法得出优化问题的闭式解，不够直观，而且计算较为复杂。

所以，本发明提出了一种无人机中继多跳通信系统中的中继节点布设方法。该方法将UAV中继布设问题转化为一个最优化的数学问题，利用传统的KKT优化条件，对该优化问题进行求解，求出UAV最佳位置的闭式解，从而在保持计算精度的条件下，降低了计算复杂度，为无人机中继通信系统的设计与优化提供良好的工程借鉴。

发明内容

技术问题：将无线多跳可再生通信系统的中断概率和中继UAV的位置布设相结合，解决无人机中继多跳通信系统中的中继节点布设问题。

技术方案：本发明的一种无人机中继多跳通信系统中的中继节点布设方法包括如下步骤：

a.建立无人机中继多跳通信系统的模型

该系统模型包含一个基站，n-1个无人机中继和一个移动台，且无人机距地面高度均为h，基站与移动台之间的距离固定为d，基站与n-1个无人机中继的传输功率分别为p₁,p₂,…,p_n。

b.构建无人机多跳通信系统的中继布设优化模型