[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

说明书

本发明公开了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，属于移动通信领域。首先构建由基站，无人机和用户构成的无人机辅助网络场景；然后分别构建用户与无人机，基站和无人机之间的信道模型和信道容量；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并求解，在给定时间分配比例和功率分配比例的情况下引入质心概念优化无人机位置，继续在给定无人机位置的情况下优化时间分配比例和功率分配比例，交替优化获得最优解；按无人机最优位置进行无人机部署，按所求的功率和时间分配最优比例对无线资源进行分配。本发明满足用户数据速率的需求同时最大化收集无线能量，减轻能耗。

技术领域

本发明属于移动通信领域，具体涉及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。

背景技术

目前，移动通信在日常生活中扮演着越来越重要的角色；在某些紧急情况下，人们需要以非常灵活和紧急的方法来支持通信，例如自然灾害和临时热点。因此，提出了无人飞行器(unmanned aerial vehicle,UAV)与地面节点协作的方式，并通过配备通信和处理模块充当飞行基站(base station,BS)，中继站或移动节点。由于部署灵活性、高移动性和低成本的优势，无人飞行器辅助的无线网络引起了业界和学术界的关注。

然而，由于无人机携带的电池有限，能源消耗是最基本的问题之一。携带更多的电池意味着无人机的重量增加，进而导致更多的飞行能耗。因此，有效的节能方法在无人机辅助无线网络中非常重要。通过引入能量收集(energy harvesting,EH)技术，可以缓解无人机能耗压力。无人机通过EH技术捕获太阳能，风能或者电磁辐射能并将其转换为电能，以应对因电池能量有限而导致的短服务时间。尤其是，同时进行无线信息与能量同步传输(simultaneous wireless information and power transfer，SWIPT)技术引起了广泛的关注，它可以通过带有发射数据的射频信号来提供稳定且可预测的能量。但是，接收机不可能利用相同的无线信号来收集能量并解码信息。因此，时间切换(time switch,TS)和功率分配(power splitting,PS)策略广泛应用于SWIPT，是分离信号以进行能量收集和数据传输的典型策略。

现有技术在引入能量收集的无人机辅助网络中，文献1：M.Hua，C.Li，Huang Y，和L.Yang，提出的“中继系统中的无人机无线功率传输的最大吞吐量”，2017年第9届无线通信和信号处理国际会议(WCSP)，2017年10月，第1-5页；使用PS SWIPT方案为无人机空中基站供能，通过对PS SWIPT方案中的时间分配比率和功率分配比率的联合优化，以优化目的节点的数据传输速率。

文献2：W.Lu，S.Fang，G.Y.Gong，L.Qian，X.Liu和J.Hua，提出了“基于OFDMA中继无线能量传输的能量受限无人机通信网络中的资源分配”，2018IEEE通信国际会议的研讨会(ICC研讨会)，2018年5月，第1-6页；公开了使用频带分离的SWIPT技术为充当中继的无人机供能，通过优化带宽分配和功率分配以提高中继传输信道容量。

文献3：L.Yang，J.Chen，M.O.Hasna和H.Yang，公开了“带有RF能量收集的无人机辅助中继系统的中断性能”，IEEE通信快报，22卷12号，第2471–2474页，2018年12月。提出了基于城市环境推导了无线能量收集功能的UAV辅助无线网络的中断概率公式。

文献4：S.Yin，Y.Zhao，L.Li和F.R.Yu，提出了“具有功率分离信息和功率传输的无人机辅助协作通信”，IEEE绿色通信与网络会刊；公开了使用PS SWIPT技术为中继无人机供能，通过优化无人机轨迹，功率分配比例和发射功率，最大化协作通信的数据速率。

虽然，现有技术为无人机能耗优化提供了各种解决方案，但是，利用无线能量传输技术为无人机供能的研究较少，同时，现有的为无人机供能的研究中，较少的考虑了用户数据速率需求。

发明内容