[发明专利]无人机辅助无线传感网及其节点调度与路径规划功率分配设计方法

摘要

本发明公开了一种无人机辅助无线传感网及其节点调度和路径规划功率分配设计方法，属于无线通信与物联网技术领域。该无人机辅助无线传感网由一个无人机空中基站和K个单天线地面终端节点所组成。本发明以最小化系统功率消耗为目标，并考虑终端节点的数据传输速率、无人机飞行速度、无人机发射功率约束等条件，以终端节点的调度变量、无人机飞行路径、无人机发射功率变量为参量建立数学优化模型，将混合整数变量的非凸优化问题分解的两个子问题分别转换为其二者对应的上界凸问题，采用块坐标下降法和内点法交替迭代子优化问题，求得一种次优的终端节点调度与无人机飞行路径功率分配参量解。

主权项

1.一种无人机辅助无线传感网的节点调度和路径规划功率分配设计方法，所述无人机辅助无线传感网包括一个无人机空中基站和K个单天线地面终端节点，所述无人机基站在指定的飞行时间内按照优化的路径进行运动，在每一个飞行时刻，无人机基站按照优化的发射功率向一个调度出的地面终端节点发送数据，且每一时刻仅与一个终端节点通信，其特征在于，包括步骤：1).建立三维空间直角坐标系(x,y,z)，z轴坐标表示空间的高度位置信息，K个单天线地面终端节点随机分布在xy平面内的固定位置，第k个地面终端节点的位置坐标为(x_k,y_k,0)^T，且所有终端节点的位置坐标组成集合w_k＝(x_k,y_k,0)^T，(·)^T表示矩阵/向量转置；无人机基站节点在三维空间中按照一定路径飞行，且具有固定飞行高度H，无人机基站单次飞行时间为T，将该时间段分割为N个时隙，每个时隙宽度为δ，第n个时隙无人机的位置坐标为q[n]＝(x[n],y[n],H)^T；用无人机各时隙所处位置的点集合描述无人机的飞行路径；在第n个时隙无人机基站以发射功率p[n]向一个地面终端节点发送数据；以a_k[n]表示第n个时隙第k个终端节点的调度变量，该变量为二进制变量，非0即1，当该节点被选出进行通信时，a_k[n]＝1，否则，a_k[n]＝0，每个时刻最多只有一个终端被选出，即其它未被选出的终端节点则处于休眠状态；假设无人机基站到地面终端节点的信道为直视径，则第n时隙内无人机到第k个地面终端节点的自由空间路径损耗为其中，dk[n]表示第n时隙无人机到第k个地面终端的距离，β0表示距离为1m时的信道增益参考值，||·||表示欧几里得范数；2).定义单次飞行时长内无人机基站到第k个地面终端节点的平均数据传输速率为：其中，表示在第n个时隙内无人机基站到第k个地面终端的数据传输速率，表示地面终端的接收信噪比，σ²表示地面终端受到的加性高斯白噪声功率；3).基于步骤2)平均数据传输速率Rk，并考虑终端节点的数据传输速率要求、无人机最大飞行速度、无人机最大发射功率约束等条件，建立以无人机总发射功耗最小化为目标，以终端节点的调度变量、无人机飞行路径、无人机发射功率变量为参量建立数学优化模型为：C5:||q[n+1]‑q[n]||2≤(Vmaxδ)2,n＝1,...,N‑1C6:q[1]＝q[N]其中，Rth表示无人机基站到地面终端节点的数据传输速率要求，Pmax表示无人机数据发射功率的最大值，Vmax表示无人机最大飞行速度。