[发明专利]一种无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法

权利要求书

1.一种无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建基于无人机群自主协同供能的无线感知系统架构，所述无线感知系统架构包括K个预先布置在感知位置的无线供能传感器与可自由移动的无人机群，所述无人机群内包括N个无人机，每个感知子网包括一个无人机及其所管辖的M个传感器；所述无线感知系统架构中无人机均配备A个天线，而传感器受到尺寸和成本的限制仅配有单个天线；

在所述无线感知系统架构中，当需要进行感知时，无人机群到达指定区域对传感器进行无线能量传输与无线信息传输；每个传输过程包括两个阶段：无线能量收集WEH阶段和无线信息传输WIT阶段；

基于所述无线感知系统架构，联合无人机机群内的功率分配权重W、接收波束成型权值B和时间分割因子τ建立联合优化模型，求解系统最优配置，获得最优传输策略，在保证无人机机群内数据吞吐量的约束下，将传感器上行链路总吞吐量最大化；

所述联合优化模型为：

s.t.C1:W≥W^lb,

C2:WW^H＝1,

C4:τ^lb≤τ＜1.

其中，ξ_i为重要性因子且ξ_i＞0，C_i(W,B_ij,τ)为第i个子网内的总吞吐量，B_ij为接收波束成型权值向量，为功率分配权重向量W第i个元素的下界，W^H表示向量W的共轭转置，τ^lb为时间分割因子τ的下界；

C1、C2和C3均为约束条件，C1为无人机群内的数据吞吐量约束，为以为元素的向量，表示W的下界；C2约束了无线能量收集WEH阶段的总功率恒定为P；C3意味着由于没有用于信号放大的额外能量，接收波束成型权重不能超过1，其中1_1×A表示尺寸为1×A的全1向量；C4限制了时间分割因子的上下界；

求解系统最优配置的步骤包括：

S1.设定最大优化次数与收敛阈值，设置W、B和τ的初值，并计算公共参数；

S2.通过黄金分割搜索算法在可行域[τ^lb,1)内进行最优值搜索，获得时间分割因子最优解τ^*，并更新公共参数；在新的公共参数下优化W，获得功率分配权重最优解W^*，并更新公共参数；在新的公共参数下优化B，获得波束成型权值最优解B^*，并更新公共参数；在新的公共参数下通过黄金分割搜索算法再次获得新的τ^*，并更新公共参数；

S3.重复S2，直至相邻两次优化差值小于收敛阈值或达到最大优化次数，获得最终的W^*、B^*和τ^*。

2.根据权利要求1所述的一种无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法，其特征在于，传感器接收到能量信号后被唤醒，在获得足够能量后向无人机群广播接入请求；各个无人机选取其范围内信道状态最好的M＝K/N个传感器，并在机群内广播所选传感器编号，对于未被选中的传感器，指定与其信道状态最佳的无人机负责其信息接收，之后将剩余传感器按信道状态进行分配，组成感知子网，每个所述感知子网包括一个无人机及其所管辖的M个传感器；

机群内各无人机通过广播信道分享自身状态，以实现机群传输策略联合控制；

传感器在f_S频段内以半双工模式工作，无人机在f_U频段内以全双工模式工作。

3.根据权利要求1所述的一种无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法，其特征在于，所述WEH阶段进行传感器能量收集与机群内广播通信，在此期间，所有无人机采用正交频分复用技术OFDM，同时向机群中其他无人机节点广播自身状态信息，A个天线被等分为发射天线与接收天线，实现全双工通信；与此同时，传感器利用无人机机群内通信期间辐射出的射频信号进行能量收集，用于所述WIT阶段的数据传输；所述WIT阶段被分配给传感器进行感知数据上传，所述WIT阶段的传输时间被平均划分为M个时隙；在第j个时隙内，所有子网中第j个传感器同时利用收集的能量向其对应的无人机发送感知信息，通过固定信道实现点对点通信。