[发明专利]无人机辅助无线供电的毫米波网络通信方法

权利要求书

1.一种无人机辅助无线供电的毫米波网络通信方法，包括如下步骤：

S1.获取待分析区域的无人机辅助无线供电的毫米波网络的参数；具体为将待分析区域划分为N*N个相同尺寸的网格；当无人机悬停在网格的中心点上时，网格内的所有地面用户设备均能够获取对应的无人机所提供的通信服务；悬停时间t_h包括波束训练时间t_b、充电时间t_c和数据传输时间t_d；波束训练时间包括若干个长度为τ_b的时槽，且第一个时槽为启动时槽，接下来的I个时槽为响应时槽，最后一个时槽为确认时槽；充电时间t_c和数据传输时间t_d满足约束条件t_c+t_d＝τ，τ为固定的通信周期，且在每个通信周期τ中，在充电时间t_c期间无人机对用户设备进行充电，在数据传输时间t_d期间无人机接收来自用户设备上传的传输数据；通信周期τ被划分为若干个时槽(ε₀τ,ε₁τ,...,ε_Jτ)，其中ε₀τ为充电时间t_c，ε₁τ～ε_Jτ为数据传输时间t_d，且ε₁τ～ε_Jτ被分配给J个用户设备，每个用户设备在被分配的对应的时槽ε_iτ内传输数据，且最后，再获取待分析区域的无人机辅助无线供电的毫米波网络的参数；

S2.采用基于距离感知的置信上限算法进行网格选择，并根据选择结果得到无人机服务地面用户产生的网格总数据量；具体为采用如下步骤计算得到网格总数据量：

在该步骤中，输入量为无人机最大电池容量e_max，无人机悬停间隙t_h，无人机悬停功率p_h，无人机发射功率p_c，无人机飞行功率p_f，无人机飞行速度v_f；

输出量为：无人机服务地面用户产生的网格总数据量；

A1.初始化全局参数；

A2.判断是否访问了除当前网格g_k外剩余的所有网格：

若未访问除当前网格g_k外剩余的所有网格，则选择一个除当前网格g_k外剩余的未被访问的网格，进入步骤A3；

否则，进入步骤A7；

A3.对网格参数进行初始化；

A4.计算得到无人机服务于网格g_k+1时，接收数据吞吐量波束训练过程中发生冲突的时槽数无冲突的用户数和悬停时长中充电时间占比

A5.无人机电池能量e_r减少p_h为无人机悬停时的发动机功率，t_h为悬停时间，p_c为无人机发起波束训练过程的功率，p_f为无人机飞行时的发动机功率，v_f为无人机的飞行速度，为网格g_k的中心点与网格g_k+1的中心点之间的距离；

A6.服务轮次增加1次；网格g_k+1的被服务的次数增加1次；接收的总数据量D_sum增加将标识当前网格的变量更新为指向下一个网格；并返回步骤A2；

A7.设置网格集合为空集；

A8.判断是否计算了除当前网格g_k之外剩余所有网格的能量消耗：

若未计算除当前网格g_k之外剩余所有网格的能量消耗，则选择一个未被计算网格能量消耗的网格，进入步骤A9；

否则，进入步骤A11；

A9.计算选择网格的能量消耗其中为充电点g₀到网格g_k+1的中心点之间的距离；

A10.判断能量消耗量e是否小于无人机当前的电池能量e_r：

若是，则把网格g_k+1添加到网格集合中，并返回步骤A8；

否则，直接返回步骤A8；

A11.判断网格集合是否为空：

若网格集合不为空，则进入步骤A12；

否则，进入步骤A20；

A12.从网格集合中选择下一个服务网格；具体为采用如下公式计算得到下一个服务网格

式中为在所有的网格中，选择使得括号内表达式取得最大值所对应的网格；为网格g_k+1从第t-t₀轮次到第t轮次的平均吞吐量；α、β、γ、χ_ID和ψ_ID均为设置的经验参数；为网格g_k+1被服务的次数；e_r为无人机电池能量；

A13.判断波束训练过程中发生冲突的时槽数是否大于0：

若波束训练过程中发生冲突的时槽数大于0，则进入步骤A14；

否则，进入步骤A15；

A14.将参数增加定义为网格g_k+1在前一次波束训练过程中所使用的总响应时槽数；

A15.将参数减小为向下取整函数；

A16.计算得到无人机服务于网格g_k+1时，接收数据吞吐量波束训练过程中发生冲突的时槽数无冲突的用户数和悬停时长中充电时间占比

A17.无人机电池能量e_r减少

A18.服务轮次增加1次；网格g_k+1的被服务的次数增加1次；接收的总数据量D_sum增加将标识当前网格的变量更新为指向下一个网格；

A19.返回步骤A7；

A20.输出最终得到的接收的总数据量D_sum，算法结束；

S3.采用-探索算法进行网络选择，并根据选择结果得到无人机服务地面用户产生的网络总数据量；具体为采用如下步骤计算得到网络总数据量：

在该步骤中，输入量为无人机最大电池容量e_max，无人机悬停间隙t_h，无人机悬停功率p_h，无人机发射功率p_c，无人机飞行功率p_f，无人机飞行速度v_f，随机选择网格的概率温度参数

输出量为：无人机服务地面用户产生的网格总数据量；

B1.初始化全局参数；

B2.对除当前网格g_k之外的所有剩余网格都进行网格参数的初始化；

B3.设置网格集合为空集；

B4.判断是否计算了除当前网格g_k外剩余所有网格的能量消耗：

若未计算除当前网格g_k外剩余所有网格的能量消耗，则选择一个未计算的网格g_k+1，并进入步骤B5；

否则，进入步骤B7；

B5.计算所访问的网格g_k+1的能量消耗e：

式中p_h为无人机悬停时的发动机功率，t_h为悬停时间，p_c为无人机发起波束训练过程的功率，p_f为无人机飞行时的发动机功率，v_f为无人机的飞行速度，为网格g_k的中心点与网格g_k+1的中心点之间的距离；为悬停时长中充电时间占比；为充电点g₀到网格g_k+1的中心点之间的距离；

B6.判断能量消耗e是否小于无人机电池能量e_r：

若能量消耗e小于无人机电池能量e_r，则将网格g_k+1添加到网格集合中，并返回步骤B4；

否则，直接返回步骤B4；

B7.判断网格集合是否为空：

若网格集合不为空，则进入步骤B8；

否则，进入步骤B18；

B8.随机生成一个0～1之间的小数ε；

B9.若小数ε大于则进入步骤B10；否则进入步骤B13；表示无人机以概率进行网格选择；

B10.从网格集合中选择下一个服务网格g_k+1；具体为采用如下算式计算得到下一个服务网格：

式中为下一个服务网格g_k+1；为在所有的网格中，选择使得括号内表达式取得最大值所对应的网格；为网格g_k+1从第t-t₀轮次到第t轮次的平均吞吐量；θ、和均为设置的经验参数；

B11.判断波束训练过程中发生冲突的时槽数是否大于0：

若波束训练过程中发生冲突的时槽数大于0，则进入步骤B12；

否则，进入步骤B13；

B12.将参数增加定义为网格g_k+1在前一次波束训练过程中所使用的总响应时槽数；

B13.将参数减小为向下取整函数；

B14.计算得到无人机服务于网格g_k+1时，接收数据吞吐量波束训练过程中发生冲突的时槽数无冲突的用户数和悬停时长中充电时间占比

B15.无人机电池能量e_r减少

B16.服务轮次增加1次；网格g_k+1的被服务的次数增加1次；接收的总数据量D_sum增加将标识当前网格的变量更新为指向下一个网格；返回步骤B3；

B17.从网格集合中选择下一个服务网格g_k+1，并返回步骤B11；具体为采用如下算式计算得到下一个服务网格：

式中P(g_k)为选择的下一个服务网格g_k+1；为设定的温度参数；为选择的下一个服务网格g_k+1到t轮次为止的平均吞吐量；为网格g^、_k到t轮次为止的平均吞吐量；g^、_k为所有网格中的任一网格；e为自然常数；

B18.输出最终得到的接收的总数据量D_sum，算法结束；

步骤A4、步骤A16和步骤B14所述的计算得到无人机服务于网格g_k+1时，接收数据吞吐量波束训练过程中发生冲突的时槽数无冲突的用户数和悬停时长中充电时间占比具体为采用如下步骤进行计算：

在该步骤中，输入量为：网格g_k，无人机剩余电池容量e_r，时槽间隙τ_b，无人机悬停间隙t_h，无人机悬停功率p_h，无人机发射功率p_c，无人机飞行功率p_f，无人机飞行速度v_f，网格g_k的响应时槽总数

输出量为：无人机服务于网格g_k时的接收数据吞吐量波束训练过程中发生冲突的时槽数无冲突的用户数悬停时长中充电时间占比

C1.初始化参数，设置中间参数L_r＝0；

C2.在启动时槽中，无人机在面向地面的毫米波波束中广播定向信标帧；

C3.在响应时槽期间等待响应帧；

C4.在确认时槽期间，无人机广播确认帧以宣布无冲突的用户设备；

C5.观察得到无冲突用户的数量并更新参数

C6.观察得到产生冲突的响应时槽的数量并更新参数

C7.计算通信周期τ为

C8.计算悬停时长中充电时间占比为

C9.判断是否已经对所有个用户设备都进行了距离值的计算：

若未对所有个用户设备都进行了距离值的计算，则选择一个还未被计算的用户设备，并进入步骤C10；

否则，进入步骤C12；

C10.计算无人机s与选定的用户设备u之间的距离d_s,u；

C11.判断距离d_s,u是否大于中间参数L_r：

若d_s,u＞L_r，则将L_r的值设定为d_s,u，并返回步骤C9；

否则直接返回步骤C9；

C12.判断中间参数L_r就是否小于距离参数L：距离参数L的定义为位于无人机服务范围内的、与无人机垂直距离相同且水平距离最远的用户与无人机之间的三维距离；

若L_r＜L，则进入步骤C13；

否则，进入步骤C14；

C13.采用公式更新无人机的波束宽度；其中cot为余切函数；H为无人机距离地面的高度参数；

C14.计算得到

C15.计算得到单个网格g_k中所有的个用户设备的吞吐量具体为采用如下步骤计算吞吐量

采用如下算式计算在上行链路上，从用户设备u到无人机s的链路吞吐量r_s,u(ε)：

式中ε_u为用户设备u被分配到的对应的时槽；ε₀为充电时槽；H_mm为毫米波带宽；为中间变量，且的计算公式为：

式中η为无人机悬停时间中的充电时间占比；p_c为无人机发起波束训练过程的功率；为无人机s到用户设备u之间的定向发射增益，且为旁瓣增益，为无人机s的发射波束宽度；为从无人机s到用户设备u之间的定向接收增益，且为用户设备u的接收波束宽度；为从无人机s到用户设备u之间的信道增益，且为无人机s到用户设备u之间链路的信号振幅且λ为波长，d_s,u为无人机s到用户设备u之间的距离，τ_s,u为传输时延且c为光速，δ()为狄拉克三角函数；为用户设备u与无人机s之间链路的定向传输增益；为用户设备u与无人机s之间链路的定向接收增益；为用户设备u与无人机s之间链路的信道增益；为环境噪声；

最后，采用如下公式计算单个网格g_k中所有的个用户设备的吞吐量

C16.计算无人机在服务网格g_k内用户设备时接收到的数据量

C17.输出最终得到的无人机服务于网格g_k+1时，接收数据吞吐量波束训练过程中发生冲突的时槽数无冲突的用户数和悬停时长中充电时间占比算法结束；

S4.对比步骤S2得到的网格总数据量和步骤S3得到的网络总数据量，从而确定最终的无人机辅助无线供电的毫米波网络通信方案。

2.根据权利要求1所述的无人机辅助无线供电的毫米波网络通信方法，其特征在于步骤S4所述的对比步骤S2得到的网格总数据量和步骤S3得到的网络总数据量，从而确定最终的无人机辅助无线供电的毫米波网络通信方案，具体为对比步骤S2得到的网格总数据量和步骤S3得到的网络总数据量，并选择网络总数据量较大的一组方案作为最终的无人机辅助无线供电的毫米波网络通信方案。