一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，针对以无人机为中继的正交频分多址下行传输系统，考虑并规避建筑物对通信链路的遮挡以建立视距信道，通过优化无人机位置以及功率分配来提高通信系统的最小用户通信容量，属于无人机通信技术领域。所述方法包括构建以无人机为中继的地面基站到地面用户的通信场景，对建筑物遮挡空域进行建模，对系统最小用户通信容量进行建模，以及无人机位置及功率分配联合优化算法。该技术有效规避了遮挡，提高了系统通信容量。提高了系统通信容量。提高了系统通信容量。

【技术实现步骤摘要】
一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法


[0001]本专利技术属于无人机通信
，具体是一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配技术。

技术介绍

[0002]近年来，无人机在辅助无线通信以提高网络性能方面受到了广泛的关注。与传统的蜂窝网络通信相比，无人机辅助通信不依赖于固定的地面设施，可以按需、灵活、低成本地部署在目标区域。例如，无人机可以用作空中基站或中继服务地面用户，扩展热点地区、受灾地区的通信覆盖。得益于无人机的三维机动性，无人机可根据流量需求调整自身的位置或轨迹，提高通信系统的整体服务质量。然而，无人机与地面基站或用户组成的空对地链路可能受到建筑物或其他障碍物的遮挡，阻碍视距链路的建立，造成通信性能的恶化。
[0003]但是，现有研究尚未合理考虑建筑物的遮挡效应，大多假定空对地信道模型为视距信道，或者是将视距链路的存在性建模为与链路仰角概率相关的概率型视距信道。这两种信道模型只能提供统计意义上的平均性能分析，无法保证具体环境下无人机部署后的实际应用性能。因此，遮挡规避成为了无人机通信的关键性挑战。考虑遮挡效应的无人机空间部署以及资源分配对于提高通信系统性能有着重大的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出地理信息辅助的无人机中继的位置部署与功率分配技术，通过利用地理信息建模建筑物对空域的遮挡，优化无人机三维位置规避遮挡，并进行功率分配，提高系统的最小用户通信容量。
[0005]本专利技术提供一种无人机中继的位置部署与功率分配技术，具体步骤如下：
[0006]步骤一、建立基站、无人机和用户的空间位置模型。
[0007]步骤二、针对已知的地面节点位置和地理信息，建立遮挡空域模型；地面节点包括用户和基站。
[0008]步骤三、在解码
‑
转发模式下，地面基站以一定功率向无人机发射信号，无人机以一定功率向多个用户设备发射正交频分多址信号，计算基站到无人机链路和无人机到用户链路的通信容量。
[0009]步骤四、构建目标函数：设计无人机位置部署以及信号功率分配，以最大化系统最小用户通信容量。
[0010]步骤五、等价转化非遮挡空域的约束条件，构建拉格朗日松弛问题。
[0011]步骤六、联合优化无人机的部署位置，无人机、基站的信号功率分配，以及拉格朗日乘子，以最大化最小用户通信容量。
[0012]本专利技术的优点在于：
[0013]1、本专利技术地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，提出了采用无人机中继，规避建筑物对通信链路的遮挡，提升了系统通信容量；
[0014]2、本专利技术地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，提出了给定任意用户位置和建筑物结构下，遮挡空域的数学模型；
[0015]3、本专利技术地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，提出了一种双层循环交替优化算法，交替最优化拉格朗日乘子、无人机三维位置以及无人机、基站的功率分配；
[0016]4、本专利技术地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，提出了给定任意无人机中继位置下的最优功率分配。
附图说明
[0017]图1展示了无人机中继通信的系统模型，包括无人机、基站、多个地面用户；
[0018]图2为本专利技术地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法流程图；
[0019]图3(a)展示了给定地面节点S与建筑物结构，可见侧面与不可见侧面的图示；
[0020]图3(b)为图3(a)的俯视图，展示了地面节点S到可见侧面的视线向量与该可见侧面的外法向量的夹角关系；
[0021]图3(c)展示了建筑物对地面节点S的遮挡空域由四个外边界平面围成的情况；
[0022]图3(d)展示了建筑物对地面节点S的遮挡空域由三个外边界平面围成的情况；
[0023]图4展示了求解拉格朗日松弛问题的流程，包括优化拉格朗日乘子，交替优化无人机的部署位置以及功率分配；
[0024]图5展示了当地面建筑物密度为20％时，几种不同方法下系统最小用户通信容量随地面用户数量K的变化，体现了本专利技术的优势；
[0025]图6展示了当K＝8，地面建筑物密度为20％时，几种不同方法下系统最小用户通信容量随基站最大发射信号功率的变化，体现了本专利技术的优势；
[0026]图7展示了当K＝8，地面建筑物密度为20％时，几种不同方法下系统最小用户通信容量随无人机中继最大发射信号功率的变化，体现了本专利技术的优势；
[0027]图8展示了当K＝8，几种不同方法下系统最小用户通信容量随地面建筑物密度的变化，体现了本专利技术的优势；
具体实施方式
[0028]下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。
[0029]本专利技术提供了一种地理信息辅助的无人机中继位置部署和功率分配技术，针对图1中地面基站以无人机为中继，服务多个地面用户展开说明。如图2所示，具体步骤如下：
[0030]步骤一、建立基站、无人机和用户的空间位置模型。
[0031]以基站为原点，x，y，z轴分别指向东、北、垂直向上。将基站的坐标表示为无人机坐标为共K个地面用户，记用户序号索引集为其中第k个用户的坐标为由此可以得到基站到无人机的距离为‖x
‑
x
B
‖，无人机到第k个用户的距离为‖x
‑
x
k
‖。
[0032]步骤二、针对已知的用户、基站位置和地理信息，建立遮挡空域模型；
[0033]如图3(a)与图3(b)所示，在地理信息可用的条件下，建筑物的空间位置即已知。现实中，建筑物多为立方体结构，对于其它不规则结构总可以找到相应的立方体将其包围，因此本专利技术假定所考虑建筑物均为立方体。为叙述方便，将用户和基站统称“地面节点”。一个建筑物对一个地面节点会形成一个遮挡空域，设所在区域共有M个建筑物，则M个建筑物与K个用户、一个基站(也即K+1个地面节点)共形成M(K+1)个遮挡区，记遮挡区序号索引集为对第i个遮挡空域(记为)，具体建模方式如下：
[0034]步骤201、根据地面节点的位置判断该地面节点可见的建筑物侧面；
[0035]根据基本几何原理，对已知的地面节点位置和建筑物的某一侧面，如果该侧面的外法向量与地面节点到该侧面上任意一点的视线向量的内积为负，则该侧面可见；否则，该侧面不可见。
[0036]步骤202、确定遮挡空域的外边界；
[0037]如图3(c)与图3(d)所示，遮挡空域的外边界由4个(或3个)平面组成。而每个平面是由地面节点位置和可见侧面的一条边所确定的。对于的第j个外边界平面，可以用外法线a
ij
、偏移量b
ij
表示为继而，由各个外边界平面所分割的半空间围成了遮挡空域，其表达式为其中表示组成的外边界平面序号索引集。
[0038]步骤三、在解码
‑
转发模式下，地面基站以一定功率向无人机发射信号，无人机中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、建立基站、无人机和用户的空间位置模型；步骤二、针对已知的地面节点位置和地理信息，建立遮挡空域模型；地面节点包括用户和基站；步骤三、在解码
‑
转发模式下，地面基站以一定功率向无人机发射信号，无人机以一定功率向多个用户设备发射正交频分多址信号，计算基站到无人机链路和无人机到用户链路的通信容量；步骤四、构建目标函数：设计无人机位置部署以及信号功率分配，以最大化系统最小用户通信容量；步骤五、等价转化非遮挡空域的约束条件，构建拉格朗日松弛问题；步骤六、联合优化无人机的部署位置，无人机、基站的信号功率分配，以及拉格朗日乘子，以最大化最小用户通信容量。2.如权利要求1所述一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，其特征在于：步骤一中，基站、无人机和用户的空间位置模型建立方式为：以基站为原点，x，y，z轴分别指向东、北、垂直向上；基站的坐标表示为无人机坐标为共K个地面用户，记用户序号索引集为其中第k个用户的坐标为由此得到基站到无人机的距离为‖x
‑
x
B
‖，无人机到第k个用户的距离为‖x
‑
x
k
‖。3.如权利要求1所述一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，其特征在于：步骤2中，遮挡空域模型建立方法为：201、根据用户和基站的位置判断可见的建筑物侧面；202、确定遮挡空域的外边界；组成遮挡空域的外边界的平面由地面节点位置和可见侧面的一条边所确定的；对于第i个遮挡空域的第j个外边界平面，可以用外法线a
ij
、偏移量b
ij
表示为继而，由各个平面所分割的半空间围成了遮挡空域，其表达式为其中表示组成的外边界平面序号索引集。4.如权利要求2所述一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，其特征在于：步骤201中判断方法为：对已知的地面节点位置和建筑物的某一侧面，如果该侧面的外法向量与地面节点到该侧面上任意一点的视线向量的内积为负，则该侧面可见；否则，该侧面不可见。5.如权利要求1所述一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，其特征在于：步骤三中，基站到无人机链路和无人机到用户k链路的通信容量表达式为：
其中，W
B
和W
U
分别表示基站到无人机、无人机到用户k的信道带宽；g
B
和g
k
分别表示基站到无人机、无人机到用户k的信道增益；P
B
表示基站的发射功率，P
k
表示无人机分配给用户k的发射功率；N0是加性高斯白噪声的功率谱密度。6.如权利要求1所述一种地理信息辅助的无人机中继位置部署以及功率分配方法，其特征在于：步骤四～六的具体步骤为：设计最小用户通信容量达到最大化的目标函数为：式中，x为无人机坐标；P
B
表示基站的发射功率；P
k
表示无人机分配给用户k的发射功率；需要满足通信容量约束、最大发射功率约束、无人机部署在非遮挡区的约束如下：约束1:约束2:KR≤R
B
,约束3:约束4:约束5:约束6:其中，其中，和分别为基站和无人机中继的最大发射功率。K为用户数量；为用户序号索引集；R
k
为无人机到用户k链路的通信容量；R
B
为基站到无人机链路的通信容量；为第i...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖振宇，伊鹏飞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：