[发明专利]一种基于资源分配和轨迹优化的无人机辅助通信方法

说明书

本发明涉及一种基于资源分配和轨迹优化的无人机辅助通信方法，属于无线通信技术领域。本发明在无人机飞行功耗和通信功耗受限的条件下，优化无人机通信的波束成形矩阵和调整了飞行速度，来最大化所有用户的总传输速率，建立了相应的非凸优化问题系统模型。本发明首先根据用户的分布情况规划一条无人机飞行轨迹是圆轨迹，其次利用块坐标下降法将该非凸问题分解成两个子问题，在基于无人机飞行圆轨迹情况下，对无人机通信的波束成形矩阵优化；在固定波束成形情况下，对无人机飞行速度进行优化调整，最后通过两层交替优化算法来交替优化波束成形和无人机飞行速度，来最大化系统的总传输速率，提升整个系统的性能。

技术领域

本发明涉及一种基于资源分配和轨迹优化的无人机辅助通信方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

传统的无线通信系统主要由固定的地面基站、接入点、中继等地面基础设施组成。地面基站的部署是静态的，这有时可能会限制它们满足某些情况的能力，例如，体育场、演唱会等人流量较大的场所，地面基站已经无法满足这些场所的用户通信服务的需求，甚至在紧急情况(如自然灾害)下，地面基站可能被摧毁导致无法通信。而无人机作为一个空中基站已经被认为是在自然灾害造成的部分或全部基础设施破坏基站，以及在极其拥挤的地区卸载后快速恢复服务的一个有前途的解决方案。

目前，国内针对无人机辅助无线通信也展开了大量的研究，但是现有的研究主要考虑单天线无人机，少有涉及阵列天线无人机。极少量针对阵列天线无人机研究，但是少有对无人机航迹的规划。部分考虑无人机的航迹规划，但是没有同时考虑通信能耗和飞行能耗两方面。考虑无人机的飞行能耗的研究十分必要。作为空中基站，由于无人机携带的总能量是有限的，对于权衡飞行功耗和通信功耗两者之间的分配关系尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中的不足，提供一种飞行功率受限的无人机圆轨迹基站联合波束成形和速度优化方法，本发明首先根据用户的分布情况，规划一条无人机飞行轨迹是圆轨迹，提出了在无人机飞行和通信功耗，以及满足用户通信需求约束下，多天线无人机基站联合波束成形和无人机飞行速度优化的方法，更好的权衡了无人机飞行能耗和通信能耗之间的分配关系，为无人机基站提高系统总传输速度提供重要的技术指导。

本发明的技术方案是：一种基于资源分配和轨迹优化的无人机辅助通信方法，具体步骤为：

Step1：根据地面用户的分布地理位置，规划出一条无人机飞行圆轨迹；

Step2：根据规划出的无人机飞行圆轨迹，可知无人机和用户位置各时隙分布情况，建立相应的信道衰落模型；并且在无人机整个飞行过程中，考虑无人机飞行功耗和通信功耗，建立相应的功率模型；

Step3：根据信道衰落模型和功率模型，无人机飞行速度、飞行和通信功耗以及满足用户通信需求约束，通过联合优化波束成形和无人机飞行速度，建立相应的非凸优化问题，该优化问题目标为最大化系统的所有用户的总传输速率；

Step4：对上述非凸优化问题利用块坐标下降法和凸优化工具进行求解，得到无人机波束成形方案和无人机最佳飞行速度方案。

所述Step1具体为：

将无人机的轨迹设置为圆形轨迹，无人机速度取常数值V_c，并且每个时隙保持该初始速度匀速飞行，其中0＜V_c≤V_max，圆轨迹的圆心和半径根据用户的分布位置确定，分别用C_g＝(X_cg,Y_cg)和r_u表示；

把用户分布的几何中心作为圆心位置，圆心位置为：其中，g_k表示第k个用户的位置坐标；

为了确保覆盖所有用户，r_u等于C_g与所有用户之间的最大距离：