[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

说明书

本发明提供了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，首先，针对多无人机辅助多个移动用户无线通信的下行传输系统，根据用户移动轨迹对用户使用K‑means聚类方法进行分簇，以最大化用户的最小平均吞吐量为目标，计算每个簇内最优的无人机通信位置以及发送功率；其次，根据每个簇内最优无人机位置，将相邻两个时刻的无人机位置进行匹配，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。本发明操作简单，贴合实际，在保证多用户通信质量的前提下，设计最优的无人机发送功率和飞行航线，对多无人机辅助多用户通信系统具有重要的现实意义。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多无人机辅助移动用户通信中的功率分配与航迹设计方法。

背景技术

近年来，将无人机应用在无线通信网络中来提高系统性能的研究越来越普遍。首先，无人机能为地面用户提供视距信道链路，通常具有质量更好的通信信道，可以显著提高通信传输的性能；其次，无人机的高机动性和灵活性，使其能够适应各种复杂的环境，完成一些地面基站无法胜任的通信任务；此外，在许多需要通信的场景下使用无人机通信比传统通信设施的成本更低。因此，无人机辅助通信的研究越来越普遍。

目前无人机辅助通信的研究还处于起步阶段，现有的研究大多集中在使用无人机作为移动基站或者移动中继的有效部署或者航迹规划上，研究中大多只考虑使用单架无人机辅助通信的航迹规划或者多无人机辅助通信的位置部署。但是，一架无人机能覆盖的通信范围有限，服务的用户数量和数据吞吐量也受限于无人机的搭载能力，并不能完全发挥无人机辅助通信的优势。同时，如果只考虑无人机辅助通信时的位置部署，不能完全发挥出无人机高机动性、高灵活度的特点。因此，有必要提出一种多无人机辅助多用户通信的航迹优化设计的方法，以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供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，应用于多架无人机同时协作辅助的多用户下行无线通信系统，将用户分簇后为用户提供通信服务，优化多无人机的发送功率和飞行航迹，最终实现所有用户的总平均吞吐量最大化。

发明内容：本发明提出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，具体包括以下步骤：

(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。

进一步地，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：