[发明专利]一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法

说明书

本发明公开了一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，包括：确定系统模型，包含网络模型及通信信道模型；简化信道模型函数；求反向散射阶段中任一时刻各个设备的反向散射信道容量及其可实现的吞吐量；求反向散射阶段中各个设备可收集到的能量，求WPCN阶段主动传输可实现的吞吐量；定义优化目标为最大化多功能设备的公平速率，得到优化目标表达式以及其约束；根据优化目标问题采用块坐标下降法求解。本发明有效整合了低速率被动反向散射通信技术，高速率主动式WPCN技术及无人机通信的优良特性，不仅提高了系统的整体通信性能，还同时保证了多个设备数据传输的公平性。

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域，特别是一种基于无人机的无线通信技术方法。

背景技术

目前，无线通讯对于能量的需求显著增加，在多种供能通信技术中，一个典型便是结合了无线功率传输与无线信息传输的无线供能通信网络(Wireless PowerCommunicationNetwork,WPCN)；此外，反向散射通信技术也是一种具有严格能源限制的、具有前景的节能和经济高效的通信技术，非常适合应用于大规模的低成本物联网设备；无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)作为一种机动性高的低空飞行器，被广泛应用于各个领域，尤其是与通信行业的结合极为紧密；然而，传统的WPCN利用下行链路收集到的能量以进行主动的数据传输，其传输范围广，速率高，但需要额外的外部电源对其先充能，且在充能期间是不能进行信息传输，浪费了一定的时间资源；另一方面，反向散射通信技术通过吸收一部分现有环境或专用RF信号来为电路工作供电，然后通过反向散射部分信号以进行自身的数据传输。由于在这种类型的传输中不需要有源信号生成，因此反向散射通信会消耗更少的能量，但受到散射过程中的两次信道造成性能损耗的影响，该被动发射机只能实现低速率信息传输且范围受限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于无人机的多功能通信的3D路径规划及资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定系统模型，包含网络模型及通信信道模型；

(2)简化信道模型函数；

(3)假设地面各个多功能设备的反射因子已知，求反向散射阶段中任一时刻各个设备的反向散射信道容量及其可实现的吞吐量；

(4)假设地面各个多功能设备的能量转换效率已知，求反向散射阶段中各个设备可收集到的能量，求WPCN阶段主动传输可实现的吞吐量；

(5)定义优化目标为最大化多功能设备的公平速率，得到优化目标表达式以及其约束；

(6)根据优化目标问题采用块坐标下降法求解。

进一步地，所述步骤(1)具体包括以下分步骤：

(11)假设该网络模型由一个无人机，一个地面接收设备，多个地面的多功能设备组成，确定该系统模型中通信各个阶段的具体过程；

(12)确定各个设备的数量和位置坐标，同时，确定无人机发射功率、无人机最大水平飞行速度、无人机最大垂直飞行速度、信道噪声功率、通信双方距离、设备的能量转换效率系数等参数，确定系统的通信时隙模型；

(13)在已知高度情况下，根据视距信道函数求无人机与地面设备间的损耗及地面多功能设备与接收设备的损耗。

进一步地，所述步骤(12)中假设基于无人机的多功能通信网络模型中的地面MDs的二维位置坐标为接收设备RD的位置坐标为(R_x,R_y)，无人机的载波信号发射功率为P_t,u，信道噪声功率为