[发明专利]多无人机辅助移动用户通信的功率分配与航迹设计方法

权利要求书

1.一种多无人机辅助移动用户通信的功率分配与航迹设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建针对多无人机辅助移动用户无线通信的下行传输系统；所述系统包括K架作移动基站的无人机、N个移动轨迹已知的用户；

(2)根据用户移动的轨迹对不同时刻时的用户使用K-means聚类方法进行分簇，同一时刻同一个簇内的用户由一架无人机提供通信服务，以最大化无人机的数据传输的总吞吐量为目标，计算每个簇内最优的无人机通信位置和发送功率；

(3)根据每个簇内最优的无人机位置，将相邻两个时刻无人机的位置进行匹配，使所有无人机的总飞行距离最短，得到最优的无人机飞行航迹；

所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)将总服务时间划分为T个单位长度的时隙，用户在每个时隙内坐标为Q_n,t＝(Ux[n,t],Uy[n,t])，无人机飞行高度固定为H，在每个时隙内位置为q_k,t＝(x[k,t],y[k,t])，无人机与用户之间通信的信道模型采用自由空间路径损耗模型，第k架无人机与第n个用户在第t个时隙的大尺度衰落为β_k,n,t：

其中，β₀是在参考距离d＝1米时的路径损耗；

(22)在每个时隙内使用K-means聚类方法，根据用户的位置特征对用户进行分簇，将N个用户分为K个簇，由一架无人机为同一个簇内的用户提供服务，第n个用户与第k架无人机在第t个时隙通信的瞬时速率为R_k,n,t：

其中，B为无人机与用户通信的带宽，p_k,n,t为第k架无人机在第t个时隙分配给第n个用户的发送功率，σ²为噪声功率谱密度；

(23)定义每架无人机的总功率为P_max，使用CVX工具求解凸优化问题，得到每个簇内无人机与用户最优的通信位置和发送功率，使数据传输的总吞吐量达到最大：

s.t.C1:p_k,n,t≥0

C2:

其中，N_k,t表示第t个时隙第k架无人机服务的用户集合，目标函数R^sum表示无人机的总传输速率；

所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)将第一个时隙计算得到的最优无人机通信位置作为初始位置，对相邻两个时隙最优的无人机通信位置进行匹配，使得相邻两个时隙的K个最优无人机位置一一对应；定义Δd_k,t＝||q_k,t-q_k,t-1||为第k架无人机在一个时隙内的飞行距离，匹配的规则为：使K架无人机飞行距离之和最小；

(32)假设无人机的最高飞行速度为V，如果K架无人机中的最大飞行距离满足说明满足无人机最大飞行速度的约束，继续计算下一时隙最优的无人机位置，否则重新执行步骤(2)对当前时隙内的用户重新分簇、计算最优无人机位置以及发送功率并进行匹配，直至满足无人机飞行速度的约束；

(33)根据(32)无人机位置匹配后，得到每个时隙内各无人机的最优位置，将每个时隙的最优位置按时间连接起来，最终得到各无人机最优的飞行航迹。

2.根据权利要求1所述的多无人机辅助移动用户通信的功率分配与航迹设计方法，其特征在于，步骤(2)所述的K-means聚类方法具体步骤为：

S1：从N个用户位置中随机选取K个位置作为簇的中心位置；

S2：计算每个用户到每个簇中心位置的距离，并将用户划分到距离中心位置最近的簇；

S3：重新计算每个簇的重心，作为新的中心位置；

S4：重复步骤S2-S3，直至新的中心位置与之前的中心位置相同或者两者的距离误差在允许的范围内。