[发明专利]一种基于无线能量传输的无人机辅助网络中资源分配方法

权利要求书

1.一种基于无线能量传输的无人机辅助网络中资源分配方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、构建由基站，无人机和用户构成的无人机辅助网络场景；

以基站为原点建立三维直角坐标系，基站BS的位置为I_s＝(0,0,H)；无人飞行器UAV的位置为I_v＝(x,y,h)；

H表示基站天线所在的高度，h表示无人机无人机飞行高度；

步骤二、构建用户与无人机之间的信道模型，并计算无人机对用户的信道容量；

用户i和无人机间的信道模型PL_vi表示为：

PL_vi＝P_LoS,i*PL_LoS,i+(1-P_LoS,i)*PL_NLoS,i

P_LoS,i为无人机和用户间通信的路径损耗中LOS信道的概率；a和b表示受环境影响的参数，θ表示用户与无人机链路的仰角；

PL_LoS,i为LOS信道的路径损耗；表示为：PL_LoS,i＝20lgd_vi+20lgf+20lg(4π/c)+η_LoS

PL_NLoS,i为NLOS信道的路径损耗；表示为：PL_NLoS,i＝20lgd_vi+20lgf+20lg(4π/c)+η_NLoS

d_vi表示无人机和用户i间的距离；f表示载波频率；c表示光速；η_LoS表示视距链路的衰减因子，η_NLoS表示非视距链路的衰减因子；

无人机对用户i的信道容量表示为：

P_vi表示无人机对用户i的发射功率，σ²表示接收噪声功率；

步骤三、构建基站和无人机间的信道模型，并计算基站对无人机的信道容量；

基站和无人机间的信道模型g_sv表示为：

β表示环境路径损耗系数，d_sv表示基站和无人机之间的距离；

基站对无人机的信道容量R_sv表示为：

P_s表示基站发射功率，ρ表示无人机接收信号的功率分离比例；

步骤四、利用无人机对用户的发射功率，以及基站和无人机间的信道模型构建满足限制条件的无人机通信能耗模型；

无人机在时间T内的通信能耗模型表示为：

τ表示无人机的时间分配比例，表示用户集合，表示能量收集的转换效率；

限制条件如下：

C4:h＞h_min

C5:0≤ρ＜1

C6:0＜τ＜1

C1表示无人机向用户i传输的数据速率需满足用户i的数据速率需求；w_i表示用户i的数据速率需求；

C2表示基站对无人机的信道容量R_sv需满足所有用户的数据速率需求；

C3表示无人机对所有用户的总发射功率不能超过无人机最大发射功率；P_v,max表示无人机最大发射功率；

C4表示无人机飞行高度受限；h_min表示无人机最低飞行高度；

C5表示无人机接收信号的功率分离比例取值在0到1之间；

C6表示无人机的时间分配比例取值在0到1之间；

步骤五、对无人机通信能耗模型进行求解，得到最优无人机位置，以及时间和功率的分配比例最优值；

求解的具体步骤如下：

步骤501、当无人机向用户i传输的数据速率满足用户i的数据速率需求，同时发射功率P_vi最小时，简化通信能耗模型的优化目标和各限制条件；

即条件C1中，选择无人机发射功率P_vi表示为：

简化后的通信能耗模型优化目标表示为：

C4:h＞h_min

C5:0≤ρ＜1

C6:0＜τ＜1

步骤502、给定无人机的位置，更新简化后的优化目标和限制条件；

更新简化后的优化目标为：

L_i为无人机对用户i的发射功率P_vi的计算公式中的简写；

限制条件更新为：

C5:0≤ρ＜1

C6:0＜τ＜1

C7表示变形后的C3；

步骤503、当基站对无人机的信道容量R_sv与所有用户的数据速率需求相等时，更新后的优化目标从双变量函数转换为单变量函数；

单变量的优化目标公式如下：

ww表示所有用户的数据速率需求之和；

C8表示满足条件C5和C6的情况下，τ的取值范围；

步骤504、通过梯度下降法对单变量的优化目标求解，得到时间和功率的最优分配比例τ和ρ的值；

步骤505、在最优分配比例值τ和ρ下，对步骤502中更新后的优化目标函数进行简化；

简化后得到：

C4:h＞h_min

其中，

步骤506、使用质心分配算法对简化后的目标函数求解，得到无人机的最优位置；

步骤六、根据所得的无人机最优位置、功率和时间最优分配比例值ρ和τ计算无人机能耗，若能耗在迭代过程中达到收敛，结束计算，进入步骤七；否则，返回步骤五，继续优化；

收敛条件为：能耗变化值小于极小值ε；

步骤七、按照计算结果分配网络资源，按无人机位置进行无人机部署，按所求的功率和时间分配比例对无线资源进行分配。