[发明专利]无人机中继系统的调度、轨迹和功率的联合优化方法

权利要求书

1.无人机中继系统的调度、轨迹和功率的联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立无人机中继系统的系统模型；

步骤2：基于系统模型，联合优化调度、无人机轨迹和功率分配，使系统吞吐量最大化；

其中，步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：求无人机中继系统的移动约束、功率约束、平均功率约束和峰值功率约束：

无人机中继系统的无人机个数为M，表示为集合发射端表示为集合用户端表示为设发射端和用户端的坐标都位于地面，发射端的坐标为W_s＝[x_s(t),y_s(t),0]^T，用户端的坐标为W_k＝[x_k(t),y_k(t),0]^T，无人机m在t时刻的坐标q_m＝[x_m(t),y_m(t),h_m(t)]^T；设每架无人机飞行的时间为N_f，则整个无人机中继系统的通信时间为(M+1)N_f/2；设定在时隙(m-1)N_f/2+1到时隙mN_f/2，发射端向无人机m传输数据，在时隙mN_f/2+1到时隙(m+1)N_f/2，无人机m向用户端转发数据，由此得到移动约束如下，

其中，q_0,m表示无人机m的起始位置，q_f,m表示无人机m的终点位置，V表示无人机的飞行速度，n表示时隙，q_m[n]表示在时隙n内无人机m的轨迹，q_j[n]表示在时隙n内无人机j的轨迹，d表示在飞行中无人机m与无人机j之间相距的最小距离；

功率约束为：

其中，P_s[n]表示在时隙n内发射端的功率，P_m[n]表示在时隙n内无人机的功率；

平均功率约束和峰值功率约束分别为：

其中，为发射端的平均功率；为无人机的平均功率；P_s,max为发射端的峰值功率，P_m,max为无人机的峰值功率；

步骤1.2：求发射端向无人机m传输数据的通信速率和无人机m向第k个用户端转发数据的通信速率；

设a_s,m[n]表示时隙n内无人机m接收第s个发射端的数据，假设无人机最多能接收一个发射端的数据并且一个发射端只能向一个无人机发送数据，得到约束条件为，

无人机m的信干噪比表示为，

其中为第一个无人机的干扰项，此时无其他无人机的干扰，只受到发射端的干扰；为除了第一个无人机之外其他无人机的干扰项，其他无人机接收到了来自发射端与无人机的干扰；P_s表示发射端的发射功率；σ²表示高斯白噪声，h_s,m[n]表示发射端对无人机的信道增益，h_m,m-1[n]表示无人机之间的信道增益，h_s,m[n]和h_m,m-1[n]的表达式分别如下，

式中，ρ₀为参考距离处的信道功率；W代表发射端所在的位置；

在时隙n内，发射端向无人机传输数据的通信速率表达式如下：

其中，R_s,1[n]表示发射端向第一个无人机传输数据的通信速率，R_s,m[n]表示发射端向无人机m传输数据的通信速率，m≠1；

在时隙n，无人机m向第k个用户端转发数据的通信速率的表达式如下：

其中，λ₀＝ρ₀/σ²；

每个无人机为一条通信链路，每条通信链路由发射端向无人机m发送数据的平均速率和无人机m向第k个用户端转发数据的平均速率的最小值表示为：

步骤1.3：求无人机中继系统的吞吐量；

无人机中继系统的吞吐量表示为：

步骤1.4：构建最大化系统吞吐量问题P1，引入松弛变量η＝{η₁,...,η_m}，P1的表达式为：

Subject to

η_m≤R_s，m

η_m≤R_m，k

(1)-(4)

其中，A为调度，Q为无人机轨迹，P为功率；

步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：固定功率和轨迹，构建调度优化问题P2；

步骤2.2：固定轨迹和调度，构建功率优化问题P3；

步骤2.3：固定调度和轨迹，构建轨迹优化问题P4；

步骤2.4：采用联合优化调度、无人机轨迹和功率分配交替优化算法，使系统吞吐量达到最大；

步骤2.1包括，

固定功率和轨迹{Q,P}，得到调度优化问题P2，P2的表达式为：

Subject to

步骤2.2包括：

固定轨迹和调度{Q,A}，由公式(5)-公式(7)整理得到：

其中，和分别为：

对和在点和点处进行一阶泰勒展开，其中r表示第r次迭代，

的展开结果如下：

其中，D_s,1[n]的表达式如下：

的展开结果如下：

其中，E_s,m[n]和F_s,m[n]的表达式如下：

得到功率优化问题P3，P3的表达式为：

Subject to

(2)和(3)；

步骤2.3包括：

固定调度和功率{A,P}；

设和由公式(6)-公式(8)整理得到：

其中，

对公式(24)在处进行一阶泰勒展开，r表示第r次迭代，的展开结果如下：

其中，

的展开结果如下：

其中，

得到R_mk[n]的表达式为：

其中，

对于移动约束的表达式(1)，在q_m[n]和q_m-1[n]处进行一阶泰勒展开，得到展开结果为：

引用松弛变量Y，松弛变量Y的表达式如下：

Y＝{Y_s，m[n]＝||q_m[n]-w_j||²，Y_m，m-1[n]＝||q_m[n]-q_m-1[n]||²}

综上得到，轨迹优化问题P4的表达式为：

Subject to

2.根据权利要求1的无人机中继系统的调度、轨迹和功率的联合优化方法，其特征在于，步骤2.4包括：

步骤2.4.1，设置无人机的初始轨迹Q⁰，发射端初始功率无人机初始功率和迭代次数γ＝0；

步骤2.4.2，通过给定的{Q^γ,P^γ}，带入P2求解，得到的解设为{A^γ+1}；

步骤2.4.3，根据{Q^γ,P^γ,A^γ+1}，带入P3求解，得到优化功率P^γ+1；

步骤2.4.4，根据{Q^γ,P^γ+1,A^γ+1}，带入P4求解，得到优化轨迹Q^γ+1；

步骤2.4.5，判断加权速率的相对增长率ε是否小于等于0，若ε≤0，则此时获得最大吞吐量，若ε＞0，则令γ＝γ+1，返回步骤2.4.2，其中加权速率的相对增长率ε＝(R-R₀)/R，R代表最新一次迭代的平均速率，R₀代表前一次迭代的平均速率。