[发明专利]一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法

权利要求书

1.一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法，其特征在于：所述数据与能量传输方法包括：

S1、将智能反射表面附着在地面设备周围的建筑物上，无人机通过智能反射表面与视距链路被阻挡的地面设备进行数据与能量的传输；具体包括：

将无人机的飞行轨迹离散化为M个点，整个飞行周期T划分为M个等长的时隙，每个时隙的长度为Δτ；

无人机飞行过程中的每一个时隙，无人机先给地面设备进行无线能量传输，然后接收地面设备传输的数据，用ξ_k[t]表示无人机在每一个时隙用于给地面设备充能的时隙分配比例，其中表示地面设备的集合，K表示地面设备的总数，表示无人机飞行周期内所有时隙的集合，M表示总的时隙数；

在每一个时隙，无人机最多选择一个地面设备来进行数据和能量传输，用a_k[t]表示无人机与地面设备的调度，a_k[t]＝1表示无人机在第t个时隙选择与第k个地面设备进行数据和能量传输；

无人机在每个时隙的位置坐标为[q[t]，z_U]^T,其中q[t]＝[x[t]，y[t]]为水平坐标，z_U为无人机的飞行高度；

将无人机在第t个时隙给第k个地面设备充能的路径损耗模型设置为其中表示第l个智能反射表面到第k个地面设备的路径损耗，表示在第t个时隙，从无人机到第l个智能反射表面的路径损耗，θ^kl[t]表示在第t个时隙，第l个智能反射表面对于第k个地面设备的相移矩阵，与分别表示第l个智能反射表面与第k个地面设备的距离以及与在第t个时隙与无人机的距离，表示从第l个智能反射表面到第k个地面设备的信号离开角的余弦值，表示在第t个时隙从无人机到第l个智能反射表面的到达角的余弦值，d为天线间隔，λ为载波波长，ρ为参考距离为1m时的路径损耗；

将无人机在第t个时隙通过第l个智能反射表面收集第k个地面设备发送的数据的信道增益设置为表示从第k个地面设备到第l个智能反射表面的信道增益，表示从第k个地面设备到第l个智能反射表面的信号到达角的余弦值，表示在第t个时隙，从第l个智能反射表面到无人机的信道增益，θ^kl[t]表示在第t个时隙，第l个智能反射表面对于第k个地面设备的相移矩阵，表示在第t个时隙从第l个智能反射表面到无人机的离开角的余弦值；

S2、建立无人机与地面设备的上行数据传输模型和下行能量传输模型，并根据地面设备数据传输的需求设置地面设备收集能量最大化的优化问题；

S3、采用块坐标下降和连续凸优化方法将优化问题分解为三个子问题，并对每个子问题分别求解，最后通过迭代算法将各个子问题的解进行迭代得到最终解；具体包括：

A1、初始化数据与能量传输的时隙分配变量无人机的飞行轨迹智能反射表面的相移矩阵

A2、在Ξ_r，Q_r，Θ_r一定时，优化问题转换为一个只以无人机与地面设备的调度变量为优化变量的线性规划问题，并利用线性规划方法包求解得到最后的A_r+1，其中r表示迭代次数；

A3、在A_r+1，Ξ_r，Θ_r一定时，优化问题的优化变量只有无人机的轨迹，利用连续凸优化方法求解无人机的轨迹优化问题，得到优化轨迹Q_r+1；

A4、根据优化轨迹Q_r+1和最优的相移公式得到最优的智能反射表面的相移矩阵Θ_r+1；

A5、在A_r+1，Q_r+1，Θ_r+1一定时，优化问题转换为一个只以Ξ_r为优化变量的线性规划问题，利用线性规划方法求解得到最优的数据与能量传输的时隙分配Ξ_r+1；

A6、根据A_r+1，Q_r+1，Θ_r+1，Ξ_r+1求解得到当前迭代的最大收集能量E_r+1，设置迭代精度∈₀为预先设定的迭代精度，如果∈＞∈₀,更新迭代次数r＝r+1，r初始值为0,返回步骤A2；否则直接结束；

对于第k个地面设备,在第t个时隙的可达速率为其中P_k表示第k个地面设备的发射功率，在整个飞行周期所能收集的能量为其中σ²表示噪声功率，η表示能量转换效率，P_U表示无线能量传输功率，为无人机在第t个时隙给第k个地面设备充能的路径损耗模型；

将智能反射表面的每一个反射元素的相移表示为其中表示智能反射表面的集合，表示每一个智能反射表面的反射元素的集合，其坐标为其中为第l个智能反射表面水平坐标，表示水平横坐标，水平纵坐标，为智能反射表面的高度，智能反射表面采用均匀线性阵列，第l个智能反射表面在第t个时隙对于第k个地面设备的相移矩阵为其中diag{a}表示以a为对角元素的对角矩阵；

所述设置地面设备收集能量最大化的优化问题为：并设置约束条件：a_k[t]＝{0，1}、0≤ξ_k[t]≤1、和||q[t]-q[t-1]||≤V_maxΔτ；

其中表示所有的地面设备收集的能量，D_k表示第k个地面设备的数据传输需求，P_k表示第k个地面设备的发送功率，∈_k表示第k个地面设备的剩余能量要求，V_max为无人机的最大飞行速度，分别表示无人机与地面设备的调度变量集合，无人机的飞行轨迹，智能反射表面的相移矩阵和数据与能量传输的时隙分配的变量集合。