[发明专利]UAV轨迹、传感节点调度及任务执行时间联合优化方法

说明书

本发明公开了一种UAV轨迹、传感节点调度及任务执行时间联合优化方法，包括：基于UAV需要采集的数据量及相应的能耗，构建UAV效用函数；利用构建的UAV效用函数建立UAV轨迹、传感节点调度以及任务执行时间的联合优化模型；其中，联合优化模型以最大化UAV效用函数为目标，以所有传感节点数据量上传需求、传感节点调度以及无人机的移动特性为限制条件；将联合优化模型转化为UAV路径优化和任务执行时间优化两个子问题，采用块下降法和连续凸逼近算法得到传感节点调度与UAV飞行路径的优化解，进一步利用二分法获得最小任务执行时间。本发明能够实现UAV在最短时间内完成数据采集任务的同时，降低UAV的能耗。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种UAV轨迹、传感节点调度及任务执行时间联合优化方法。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)由于其具有较高的机动性，灵活性以及与用户间易形成视线(Line of Sight，LoS)信道等优点，近年来在无线通信领域得到了广泛的关注。一个重要的应用场景是UAV辅助无线通信系统进行及时数据采集或信息广播。与传统通信系统不同，UAV辅助通信系统的通信资源分配通常与UAV的飞行路径相关，因此UAV路径规划是一个重要问题。同时，UAV由于物理条件限制，机载能量有限，任务执行过程中UAV的能耗问题不可忽略。因此，尽管关于UAV路径规划问题已经做了一些研究，但是关于UAV的任务执行速率与相应能耗的联合研究仍然匮乏，无法有效解决UAV辅助无线通信任务执行速率与UAV能耗间的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种UAV轨迹、传感节点调度及任务执行时间联合优化方法，能够对UAV通信资源进行合理配置，在保证UAV最短时间内完成任务的同时，降低UAV的能耗。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种UAV轨迹、传感节点调度及任务执行时间联合优化方法，包括以下步骤：

基于UAV需要采集的数据量及相应的能耗，构建UAV效用函数；

利用所述构建的UAV效用函数建立UAV轨迹、传感节点调度以及任务执行时间的联合优化模型；其中，所述联合优化模型以最大化UAV效用函数为目标，以所有传感节点数据量上传需求、传感节点调度以及无人机的移动特性为限制条件；

将所述联合优化模型转化为UAV路径优化和任务执行时间优化两个子问题，采用块下降法和连续凸逼近算法得到传感节点调度与UAV飞行路径的优化解，进一步利用二分法获得最小任务执行时间。

优选地，所述构建的UAV效用函数表示为：

Θ＝R_ave-κE

其中，Θ为UAV执行任务的效用函数，R_ave为UAV单位时间内采集的数据量，即UAV的任务执行速率，E为UAV执行任务相应的能耗，κ为量纲标准化因子。

优选地，所述UAV的任务执行速率表示为：

其中，W为传输信道带宽，δ为每个时隙的持续时间，K为传感节点数，N为时隙数，为传感节点k在第n个时隙的调度因子，q[n]为UAV在第n个时隙的位置，w_k为传感节点k的位置，为UAV与传感节点k间LoS信道出现的概率，η为NLoS信道引起的额外损耗因子，P_k为地面传感节点的发送功率，β₀为参考距离1m处的信道增益，σ²为UAV接收到的噪声功率。

优选地，所述UAV执行任务相应的能耗模型为：