[发明专利]基于粒子滤波的UAV无线携能通信网络系统上行链路吞吐量最大化方法

说明书

一种基于粒子滤波的UAV无线携能通信网络系统上行链路吞吐量最大化方法，针对两架UAV服务两个地面信息节点的无线携能通信网络系统，将UAV的飞行时间T等间隔划分为N个时隙，两个UAV在一个固定的位置上，交替地对两个地面信息节点发射能量信号进行充电，地面信息节点则交替传输信息到对应的UAV上，通过联合优化两架UAV的飞行轨迹，资源分配以及地面信息节点的信息传输功率，搜索出了一个全局最优解，以最大化系统上行链路的最小吞吐量。本发明优化方案效果较好，系统上行链路的最小信息吞吐量较高；用于对基于UAV的无线携能通信网络系统进行优化求解，以最大化系统的上行链路最小吞吐量，或者最大化地面信息节点获取的总能量。

技术领域

本发明设计通信工程技术领域，具体涉及一种两架UAV(unmanned aerialvehicle)服务两个地面信息节点的无线携能通信网络(wireless powered communicationnetwork，WPCN)系统信息传输吞吐量最大化方法。

背景技术

在万物互联的物联网时代，万物互联对信息的传输有着更为迫切的需求。而对于物联网当中的信息节点来说，无线信息传输(wireless information transfer，WIT)是物联网信息交换的主要方式，其能量是受限的，其信息传输的功率是较低的，因此信息传播的距离是有限的。物联网的体积较小的信息节点通常是能量受限的，无法自行补充能量，需要通过外部进行供电，对于远离电源设备的信息节点来说是非常不便的。而无线能量传输(wireless power transfer，WPT)技术的出现为解决这样的难题提供了契机。而UAV作为部署使用灵活性极好的平台，具有一定的飞行负重能力。近年来，UAV结合WPT技术和WIT技术的无线携能通信网络技术被广泛应用于物联网信息节点的供电和信息收集当中，提高了UAV的使用效率。以UAV作为平台，使用WPT技术通过UAV的上行链路，发射特殊的能量信号对物联网信息节点进行充电；物联网的信息节点利用收集的能量将其收集的信息通过下行链路发送到UAV，通过一些优化方法，可以有效提高WPCN系统的信息传输的吞吐量。

目前针对以UAV作为平台的无线携能通信网络系统的信息传输吞吐量最大化的方法广泛而多样。在基于UAV的无线携能通信网络系统当中，地面节点向UAV发送信息，信息的传输速率不仅与信道有关，也与地面节点的发送的功率相关。由于地面节点需要通过获取UAV通过WPT发送的能量来进行信息传输，因此信息传输最大化受到限制条件的约束。对UAV进行路径规划和能量分配，以及对UAV采集信号和能量的时间进行分配，是一种目前针对地面节点信息传输速率最大化的主要研究方式。有的研究考虑了一个单UAV服务多个地面信息节点的无线携能通信网络系统模型，提出了一种UAV连续悬停飞行的轨迹规划方法，通过连续凸逼近(successive convex approximation，SCA)对UAV的飞行轨迹进行规划，得到一个局部最优解，并且对上行链路和下行链路的资源分配，使得地面固定位置的信息节点的信息传输速率最大化。但是，受限于无人机的数量只有一个，地面信息节点的平均信息速率并不高。有的研究考虑了一个两个UAV服务多个地面信息节点的无线携能通信网络系统模型，通过SCP技术和CVX技术来联合规划两个无人机的路径，并且通过对上行链路和下行链路的资源分配进行优化，以最大化系统的最小信息传输速率。这种方案的UAV数目增加到了两个，但是仍然要服务于多个地面信息节点，地面信息节点的信息传输速率还有继续提高的空间。有的研究考虑了一个两个无人机服务两个地面节点的无线携能通信网络系统模型，在该模型当中，地面信息节点将信息传输到对应的UAV上，减小了信号的干扰。与之前的方案相同，该方案也是通过SCA技术和CVX技术联合优化UAV的飞行轨迹，并且优化资源分配来最大化系统的最小吞吐率。通过对应的UAV来接收地面信息节点的信息，提高了系统上行链路传输信息的吞吐量。但是地面信息节点同时发送信息仍然会造成干扰，导致系统上行链路最小吞吐量的下降。