[发明专利]基于无人机无线能量传输网络的多波束阵列设计方法

说明书

本发明公开了基于无人机无线能量传输网络的多波束阵列设计方法。所述方法包括以下步骤：建立无线能量传输网络的下行信道模型；建立基于用户采集能量最大化的数学模型；建立联合优化无人机三维位置部署、能量波束的低复杂度迭代算法；基于巴特勒矩阵，设计多波束阵列天线。本发明建立了无线能量传输网络的下行信道模型以及基于用户采集能量最大化的数学模型，提出了联合优化无人机三维位置部署、能量波束的低复杂度算法以及多波束设计方案，在满足区域内用户覆盖需求的同时，最大化用户采集能量。对比单波束WPT系统、单天线WPT系统，所提出的多波束WPT系统的采集能量效率更高。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于无人机无线能量传输网络的多波束阵列设计方法。

背景技术

微波无线能量传输的历史可以追溯到1880年Heinrich-Hertz的早期工作。20世纪60年代后期，基于射频的自由空间无线能量传输被广泛研究，在微波直升机和太阳能卫星中是两个著名的应用。在这些无线能量传输系统中，利用高传输功率和大天线孔径来克服大功率接收时的传播损耗。在过去的十年中，人们对无线能量传输能源的兴趣再次出现，这主要是因为越来越需要向无线传感器和个人网络等功率要求相对较低的无线设备提供低成本和持久性的能源供应，取代传统的需要手动更换电池或重新充电的供电解决方案。此外，基于射频的无线能量传输正在蜂窝网络、认知无线电网络和中继网络等无线通信系统中进行积极的研究。无线能量传输技术的发展还开辟了一些有趣的新应用，例如，同步无线信息和功率传输，能量和信息使用相同的射频波形联合传输，以及无线供电通信网，其中通信设备完全或主要通过无线能量传输的方式供电。

由于无人机有着自组织性、灵活性和移动性等许多优势，无人机结合无线功率传输技术近年来被提出并应用于多种场合给低功率的移动设备充电。然而，受板上电池容量的限制，无人机的航行时间有限，因此，现有的学者研究如何减少空气动力消耗和最大化无人机能量效率以延长无人机的续航时间。此外，提高能量采集效率和延长无人机航行时间如通过优化无人机的飞行轨迹、位置部署、能量波束等方案相继提出。

文献“Energy Efficiency Optimization With SWIPT in MIMO BroadcastChannels for Internet of Things”(J.Tang,D.K.C.So,N.Zhao,A.Shojaeifard,and K.-K.Wong,“Energy Efficiency Optimization With SWIPT in MIMO Broadcast Channelsfor Internet of Things,”IEEE Internet Things J.,vol.5,no.4,pp.2605–2619,Aug.2018)中研究了多天线技术在无线携能中的应用，利用高增益波束提高信息与能量的传输效率。但随着远距离、宽空域、多目标需求不断增强，要求天线具有高增益的同时具有宽空域覆盖的能力。理论上天线增益越高，波束越窄，覆盖范围越小，因此通过共享阵面，采用同时多波束网络形成多个高增益波束覆盖大空域成为系统的迫切需求。要实现无人机辅助的无线能量传输系统须综合考虑无人机相对于服务目标的三维位置和阵列的波束成形技术。无人机三维位置的实现以最合理的距离和高度公平有效地向目标传输能量，通过轨迹设计充分利用无人机的可控机动性，该设计有望显著提高无线能量传输的性能；而配备的天线阵列结合波束成形技术，可以有效提高能量波束的指向性，形成具有高增益的窄波束服务目标，可以显著提高能量传输效率。另外，通过共享阵面，采用同时多波束网络形成多个高增益波束覆盖大空域，扩大无人机阵列服务范围和服务数量，进一步减少无人机自身损耗从而提到传输效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，建立了无线能量传输网络的下行信道模型以及基于用户采集能量最大化的数学模型，提出了联合优化无人机三维位置部署、能量波束的低复杂度迭代算法，并依据优化的方向图设计多波束阵列，在满足区域内用户覆盖需求的同时，最大化用户采集能量。要解决的技术问题有：

问题l：结合能量波束赋形技术和视距传播，构建无线能量传输网络的下行信道模型；