[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

说明书

本发明公开了一种无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法，包括：构建基于多无人机供能的无线感知系统架构，系统中包含多个无线供能传感器与一个无人机群，各传感器基于随机接入与无人机建立连接实现组网；设计了机群内及机群与传感器间的能量与信息传输协议，设计联合优化算法，求解系统最优配置，获得最优传输策略。本发明针对单点无线供能感知系统中双重远近效应严重、覆盖范围小等现状，首次提出多无人机自主协同供能条件下的多网络功率分配、时隙设计与波束成型联合优化方法，同时为无人机群自主协同控制提供了高效可靠的通信手段。

技术领域

本发明涉及无人机群自主协同技术领域，更具体的说是涉及一种无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的蓬勃发展，物联网技术迅速普及并得到广泛应用。目前，基于低功耗传感器的智能感知网络已广泛应用于环境监测、医疗保健、智能城市等各个领域。然而，为了满足无线传感器的小型化和轻量化要求，其电池容量通常受限。能量可持续供应问题成为无线感知网络的发展瓶颈，限制了其大规模部署。无线能量传输(WPT，Wireless Power Transmission)被认为是解决无线传感器网络长期稳定供电的一种理想方案，相比于传统的太阳能转换、机械能转换等能量获取方式，WPT在传输功率、信号波形和时频资源分配等方面具有高度可控的特点，具有明显的优越性。基于WPT技术，国内外学者进行了大量相关研究。

目前WPT技术主要基于两个框架：2013年，R.Zhang等提出了一种无线能量信息同传(SWIPT，Simultaneous Wireless Information and Power Transfer)方法，同时设计了基于时间切换与功率分割协议的接收机结构，证明了无线能量信息同传无论在理论上还是实际上均是可行的。2014年之后，无线供能通信网络(WPCN，Wireless PoweredCommunicationNetwork)也被提出，该技术不需要复杂的接收机结构，具有良好的实用性。至今，基于以上两种框架，中继技术、多天线技术、传感器协同技术等与WPT技术实现了较好的融合，使得利用无线供能传感器进行感知与数据采集成为可能。

然而，WPT技术在实际应用中面临着严重的双重远近效应：由于WPT技术以射频信号为载体进行能量传输，随着距离的增加，传播损耗愈发严重。因此距离较远的传感器获得的能量往往较少，但在感知数据回传过程中，它们却需要消耗更多的能量。双重远近效应严重影响了WPT技术的覆盖范围，使其无法应用于大范围的无线感知系统。解决双重远近效应的一种有效方法是布设多接入点(AP，Access Point)，在多AP场景下，传感器可同时从多个AP处获得能量，通过合理设计各AP发射功率，可有效调节各AP覆盖范围，均衡各传感器收集的能量，提升系统整体性能。

目前国内外未见在无人机群自主协同供能场景下进行联合设计，提升无线感知系统覆盖范围的研究，考虑到无线供能感知系统的实际使用场景通常具有难到达或高危性等特点，提供一种高效可靠的无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法，

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无人机群的无线感知系统能量与信息传输方法，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；