[发明专利]一种无人机中继系统的资源分配与飞行路线优化方法

权利要求书

1.一种无人机中继系统的资源分配与飞行路线优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：设置初始的无人机飞行轨迹Q^l，令初始的目标函数值循环次数l＝0，误差阈值ε＝10^-3，带宽为A，发射功率为P，给定带宽和发射功率分配为{A,P}；

步骤S2：建立无人机中继系统的模型，利用给定带宽和发射功率分配{A,P}和初始的无人机飞行轨迹Q^l求解得到无人机飞行轨迹的带宽以及发射功率分配的最优解{A^l+1,P^l+1}；

步骤S3：利用给定带宽和发射功率分配{A,P}对无人机飞行轨迹Q^l进行优化，求解得到无人机飞行轨迹最优解Q^l+1以及得到第l+1次的目标函数值

步骤S4：令l＝l+1；并判断是否成立，为第l-1次的目标函数值；

步骤S5：若成立，则求解得到的Q^l+1以及{A^l+1,P^l+1}为最优解，若不成立，重复步骤S2-S5；

步骤S2中建立无人机中继系统的模型的具体步骤如下：

将无人机作为中继将信息从信源S转发给K个地面用户，K表示地面用户，无人机的飞行时间T内,实现信源到无人机和无人机到每个用户的同时通信，即分别分配给无人机和每个用户总带宽/传输功率的一部分；假设源节点和各个目标用户的位置分别固定在w_s＝[x_s,y_s,h_s]^T和无人机瞬时飞行高度为h，受无人机hmin和hmax所表示的最小和最大允许高度限制，将T划分成N个时隙，每个时隙长度为足够小的δ_t，因此，无人机的位置在每个时隙内是不变的，其中继轨迹表示为q[n]＝[x[n],y[n],h[n]]^T，n∈[1,N]，其表示无人机飞行的第n个时隙；假设无人机的起点位置和终点位置分别为q[0]＝[x[0],y[0],h[0]]^T和q[N+1]＝[x[N+1],y[N+1],h[N+1]]^T，飞行最大速度为V_max，则表示无人机在每个时隙所能飞行的最大距离，运动约束为

假设通信信道是视距信道，信道功率增益符合自由空间路径损失模型，信源到无人机中继信道功率增益表示为其中ρ₀表示参考距离为1meter(m)时的信道功率增益，从无人机到用户K的信道功率增益为

假设总可用带宽为B，无人机采用频分多址FDMA方案在不同通信链路之间动态分配带宽，α₀[n]表示信源到无人机中继链路在时隙n所分配的带宽占据总可用带宽的比例，α_k[n]表示无人机到第K个地面用户链路在时隙n所分配的带宽占总带宽的比例，因此α[n]是在0和1之间取值的连续变量，因此带宽分配约束可以表示为

信源到无人机中继链路的信息传输速率为

其中N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度，P_s[n]表示源端第n 个时隙的发射功率，从无人机中继到第K个用户链路的信息传输速率为

其中P_k[n]表示无人机中继第n个时隙的发射功率；

由于无人机中继转发信息受限于信息因果约束，表示为下式

假设每个无人机中继的信息处理时延为一个时隙，因此进一步有发射功率约束为

P_s[N]＝0 (6a)

P_r[1]＝0 (6b)

假设从无人机中继到目标用户k的速率加权为θ_k，根据上述约束,表示源节点端到目标用户端的吞吐量：

对函数进行优化：

(P1):

‖q[n+1]-q[n]‖²≤V² (10)

h_min≤h≤h_max (11)

0≤P_s[n]≤P_s,max (16)

P_s[N]＝0 (18)

P_r[1]＝0 (19)

其中，和分别表示源节点和无人机中继的平均发射功率约束，P_s,max和P_r,max分别表示源节点和无人机中继的峰值发射功率约束；

步骤S2中求解{A^l+1,P^l+1}的具体步骤如下：

P_s[N]＝0, (28)

P_r[1]＝0, (29)

其中

定义α_k[n]＝0时，对于定义域约束(20)和(21)相对于α_k[n]是连续的，因为约束(21)的左式相对于α_n[n]和P_k[n]是联合凹的，所以公式(20)是一个非凸问题，通过引入松弛变量公式(20)可转化为：

P_s[N]＝0, (37)

P_r[1]＝0, (38)

用反证法可证明约束(32)满足严格不等式，因此公式(30)与公式(20)等价，公式(30)为一个凸优化问题，用内点法进行求解；

步骤S3的具体步骤如下：

对于给定带宽和功率分配{A,P}，有：

h_min≤h≤h_max, (42)

其中由于公式(39)关于q[n]是非凹的，公式(40)的左式关于q[n]是非凸的，所以公式(39)是一个非凸优化问题，引入松弛变量公式(39)-(42)转化为如下表示：

h_min≤h≤h_max, (47)

公式(43)总存在一个最优解使得约束(45)取等号成立，因此公式(39)和问题(43)等价的，约束(44)的右式和约束(45)的右式关于q[n]是非凹的，但是约束(44)的右式关于||q[n]-w_s||²是凸函数，约束(45)的右式关于||w_k-q[n]||²是凸函数，在给定点处它们的一阶泰勒展开是全局下估计，因通过迭代的方式利用连续凸优化方法来处理该非凸问题，在给定点q^l[n]处，有如下的不等式成立：

其中

其中

其中，分别为R_sr[n]和R_rk[n]的全局下估计，给定的点Q^l，公式(43)可表示为以下方式：

h_min≤h≤h_max, (58)

公式(54)是一个凸优化问题，通过内点法或CVX工具包进行求解，此外，令即R_sum表示该问题的目标函数，即为每次迭代后得到的目标函数值，l表示迭代次数。

2.根据权利要求1所述的一种无人机中继系统的资源分配与飞行路线优化方法，其特征在于，所述的无人机利用频分多址的方式进行数据的通信。