[发明专利]一种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法

权利要求书

1.一种无人机多跳中继通信系统的轨迹优化与资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：基于无人机多跳中继通信系统对其轨迹优化与资源分配问题进行建模；

S2：在给定无人机轨迹的情况下通过分配功率与带宽来计算最大化系统吞吐量；

S3：在给定无人机功率以及带宽分配下，使用连续凸规划来优化轨迹；

S4：采用联合优化无人机轨迹和源端/无人机的发射功率以及带宽分配交替优化算法使得系统的吞吐量达到最大化；

S1包括以下步骤：

S1.1：计算无人机在每个时隙所能飞行的最大距离：设无人机多跳中继通信系统中无人机的个数为M，表示为集合设无人机飞行高度H不变，飞行时间为T，将T划分成N个时隙，时隙长度为δ_t，使得无人机的位置在每个时隙内相当于是不变的，则第m个无人机中继轨迹表示为序列q_m(t)＝[x_m(t),y_m(t)]^T，设源端位置是目的端的位置为其中w_s＝[0,0]^T,w_d＝[L,0]^T；飞行最大速度为v_max，则有V＝v_maxδ_t，表示无人机在每个时隙所能飞行的最大距离；

其中，运动约束为：

其中，q_m[1]为第m个无人机中继在第一个时隙的位置信息，q_0,m为第m个无人机中继初始位置信息，q_F,m为第m个无人机中继最终位置信息，q_m[N]为第m个无人机中继在第N个时隙的位置信息，q_m[n]为第m个无人机中继在第n个时隙的位置信息；

无人机之间的冲突避免约束为：

其中d_min为第m个无人机中继在第n个时隙的位置信息，q_k[n]为第k个无人机中继在第n个时隙的位置信息，k为表示第k个无人机；

S1.2：设通信信道是视距信道，求无人机中继信道功率增益：

源端至第1个无人机中继信道功率增益表示为：

其中，β₀为表示参考距离为d₀＝1米时的信道功率增益，h_s,1[n]为源端到第一个无人机中继的信道功率增益，为源端到第一个无人机的距离大小，q₁[n]为第1个无人机中继在第n个时隙的位置信息；

第m个无人机到第m+1个无人机中继信道功率增益为：

第M个无人机中继到目的端的信道功率增益：

其中，q_M[n]为第M个无人机中继在第n个时隙的位置信息；

S1.3：确定带宽约束，带宽约束为：

其中，a_s,1[n]表示在第n个时隙，从源到第一个无人机中继的链路分配的总带宽的比例，a_m,m+1[n]表示在第n个时隙，第m个无人机到第m+1个无人机中继链路分配的总带宽的比例，a_M,d[n]表示在第n个时隙，第M个无人机中继到目的端链路分配的总带宽的比例；

S1.4：求解有源端至无人机链路信息传输速率：

在第n个时隙，用P_s[n]和P_m[n]表示源端以及第m个无人机中继的传输功率，这些都受制于平均功率和峰值功率限制：

故有源端至第1个无人机链路信息传输速率：

其中总可用带宽为B，P_s[n]表示源端第n个时刻的发射功率，N₀表示接收器处的加性高斯白噪声的功率谱密度；为源端平均传输功率；P_s,max为源端最大传输功率；

第m个无人机至第m+1个无人机链路信息传输速率，最后一个无人机至目的端的链路信息传输速率分别为：

其中，为第m个无人机平均传输功率，P_m,max为第m个无人机最大传输功率；h_m,m+1[n]为第m个无人机中继到第M个无人机中继的信道功率增益，N₀为接收机加性高斯白噪声的功率谱密度；h_M,d[n]为第M个无人机中继到目的端的信道功率增益；

信息因果约束为：

R₁[i]为在第i个时刻从第一个无人机到第二个无人机的可实现速率，R_s[i]为在第i个时刻从源端到第一个无人机的可实现速率，R_m[i]为在第i个时刻从第m-1个无人机到第m个无人机的可实现速率，R_M[i]为在第i个时刻从第M-1个无人机到第M个无人机的可实现速率；

S1.5：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以及带宽约束为：

其中，P_m[n]为第m个无人机中继在第n个时隙的功率；P_M[n]为第M个无人机中继在第n个时隙的功率；

S1.6：计算端到端的吞吐量，计算公式为：

其中，为在第n个时刻从第M-1个无人机到第M个无人机的平均可实现速率；R_M[n]为在第n个时刻从第M-1个无人机到第M个无人机的可实现速率；

S1.7：构建问题模型：问题模型P1为：

P1：

Subject to(1)—(4)，(8)—(16)

其中，