基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910411707.4 (22)申请日 2019.05.17 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 武汉大学 (72)发明人 陈浩乐李德识李少敏黄威 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通合伙) 42222 代理人 彭艳君 (51)Int.Cl. H04B 7/155(2006.01) H04B 7/185(2006.01) H04W 72/00(2009.01) H04W 72/04(2009.01) (54)发明名。

2、称 基于无线携能通信网络的无人机中继系统 资源分配方法 (57)摘要 本发明涉及无人机通信技术， 具体涉及基于 无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配 方法， 根据地面终端通信模式选择策略对终端设 备进行分组， 确定中继模式地面终端GTR的数量 及位置， 设定初始参数后开展连续凸优化算法， 依次对时隙资源分配， 无人机的飞行轨迹， 无人 机信息的传输功率， 地面终端GTR的信息传输功 率， 无人机的能量广播功率进行优化， 而后通过 多次迭代， 当地面终端GTR的周期内吞吐量增长 小于预设阈值时， 停止优化算法， 得到无人机中 继系统的最优资源分配策略。 该方法可以根据实 际情况进行地面终端设。

3、备通信模式选择， 减少无 人机资源浪费的同时保障地面用户的服务质量。 能适应地面终端数量及其初始能量储备情况的 周期性变化场景， 可行性强。 权利要求书1页 说明书13页 附图10页 CN 110166107 A 2019.08.23 CN 110166107 A 1.基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法， 其特征是， 包括以下步骤： 步骤1、 在第一个采样周期n1中， 根据地面终端的初始能量储备情况预分配信息传输 模式； 地面终端的初始能量储备足以支撑以需求速率向地面基站直接传输的能耗， 标记为 直接传输终端GTD； 地面终端的初始能量储备不足以支撑以需求速率向地面基站直接传输 。

4、的能耗， 标记为中继传输终端GTR； 步骤2、 在直接通信模式下， 无人机在下行链路中向所有地面终端广播能量； 步骤3、 在基于TDMA协议的无人机中继通信模式下， 中继传输终端GTR在下行链路中收 集无人机广播的能量， 并在上行链路中将信息传输给无人机， 无人机在收集到中继传输终 端GTR的信息后， 将信息转发给地面基站； 步骤4、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下TDMA协议中的时隙资源分配； 步骤5、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下无人机的飞行轨迹； 步骤6、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下无人机的信息传输功率分配方案； 步骤7、 利用连续凸优化理论， 优化中。

5、继通信模式下地面终端GTR的信息传输功率分配 方案； 步骤8、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下无人机的能量广播功率分配方案； 步骤9、 根据步骤3给出的地面终端通信模式选择策略对终端设备进行分组， 确定中继 模式地面终端GTR的数量及位置， 结合步骤4-8， 设定初始参数后开展连续凸优化算法， 依次 对时隙资源分配， 无人机的飞行轨迹， 无人机信息的传输功率， 地面终端GTR的信息传输功 率， 无人机的能量广播功率进行优化， 而后通过多次迭代， 当地面终端GTR的周期内吞吐量 增长小于预设阈值时， 停止优化算法， 得到无人机中继系统的最优资源分配策略。 权利要求书 1/1 页 2 C。

6、N 110166107 A 2 基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法 技术领域 0001 本发明属于无人机通信技术领域， 尤其涉及基于无线携能通信网络的无人机中继 系统资源分配方法。 背景技术 0002 随着无线通信技术的发展， 越来越多的设备接入网络， 万物互联的5G时代即将来 临， 此时， 频谱资源紧张， 设备能量短缺问题愈发严重。 无线携能通信网络(wireless powered communication network,WPCN)能够一定程度上解决上述问题。 通常来说， WPCN由 一个混合接入点(hybrid access point,HAP)及若干个地面无线终端设备。

7、组成， 在下行链 路中， 无线终端通过能量接收模块收集HAP中能量节点广播的射频能量信号并将其转化为 电能储存； 在上行链路中， 基于时分复用通信协议(time-division-multiple-access, TDMA)， 无线终端能够利用收集到的能量将自身的信息传输给HAP的信息接收模块， 从而在 一定程度上降低设备对能源的依赖性， 实现可持续通信的目标。 0003 在传统的无线传感器网络中， 传感器设备依赖有限的电池电量储备， 信息节点的 优化部署问题在传统的无线传感器网络中已经得到了广泛的研究与应用。 然而， 电池供电 通信网络和无线能量收集通信网络的网络建设目标存在较大差异。 一方。

8、面， 电池供电无线 网络的主要优化目标之一是最大限度地降低终端设备的发射功率， 减少能耗， 在工作时长 与通信性能之间寻找均衡方案。 这种面向节能的设计并不一定适用于WPCN场景。 因为能量 收集机制的存在， WPCN系统中的终端设备具有着恒定的能量来源， 此时可以终端设备附近 配备一个无线能量源来弥补其高功耗带来的能量短缺。 另一方面， 区别于无线信息传输过 程中普遍存在的干扰现象， 能量源节点广播的射频能量信号不会对非预期终端的能量接收 器产生有害的同频干扰， 相反可以提高其能量收集性能。 基于上述原因， 本发明设计了一种 适应WPCN特性的无线传感网络方案， 以充分发挥能量收集技术的优势。

9、。 0004 目前， 在建设WPCN时， 通常会根据服务区域的大小来搭建多个HAP以提高网络覆盖 面积。 然而， 由于WPCN中的终端设备受到 “双重远近效应” 的影响， 相对于距离HAP较近的终 端设备， 距离HAP较远的终端设备在收集到更少能量的同时需要更高的发射功率将信息传 输给HAP。 此外， 位置固定的H-AP或EP/IP节点不适用于无线传感网络中传感器位置与数量 动态变化的场景， 增设多个地面基站又会带来高昂的网络建设费用， 在传感器部署较少的 偏远地区更是会造成通信资源的浪费， 而且建设地面基站的组网时间长， 维护费用高， 无法 在紧急场景下(如火灾， 地震， 大型户外活动等)实。

10、现网络的快速部署。 针对这一情况， 无人 机通信开始成为时下热门的研究领域。 0005 传统无人机通信网络通常采用无人机作为信息接收器的搭载平台， 用于采集地面 节点的信息。 无人机通信网络的组网目标主要是基于轨迹优化算法以最小化无人机的节点 遍历时间。 此外， 无人机需要将收集到的信息传输至地面基站， 且无人机自身广播能量， 转 发信息的能耗需要被进一步优化， 以实现系统能效最大化。 0006 作为多功能搭载平台， 旋翼无人机以其机动性高， 部署灵活， 可靠性强， 覆盖范围 说明书 1/13 页 3 CN 110166107 A 3 广等优点被广泛运用于应急通信场景下， 随着无人机及WPCN。

11、网络技术的成熟， 利用无人机 作为可移动平台， 建设基于无人机的无线携能网络(UAV-based Wireless Powered Communication Network,U-WPCN)具有现实可行性。 搭载能量广播节点(Energy Point,EP) 及信息接收节点(Information Point,IP)能一定程度上满足信号较弱， 资源匮乏地区终端 设备的通信需求。 0007 此外， 由于无线终端设备初始能量储备存在差异性， 能量状态良好的终端能够直 接将信息传输给基站设备而无需无人机中继信息， 能量相对匮乏的终端则需要无人机提供 更多的帮助， 极端情况下， 初始能量为零的终端设备。

12、只能从无人机处收集到的能量， 并使用 这部分能量支撑其在上行链路中向无人机传输信息。 基于上述考虑， 提出用户通信模式选 择策略能够更好的发挥无人机的效用， 针对性的提升能源短缺用户的通信性能， 从而实现 系统资源分配的最优化。 0008 在理想状态下， 搭载EP及IP的无人机可根据终端设备及地面基站所处的位置调整 飞行轨迹， 无线能量广播功率， 信息中继转发功率， 地面终端设备能够根据无人机的当前位 置调整信息传输功率， 系统能够根据无人机及终端设备的传输状态分配相应的时隙资源， 最大化用户设备在无人机飞行周期内的信息吞吐量， 解决能量匮乏场景下的终端设备通信 问题。 发明内容 0009 本。

13、发明的目的是提供一种传感节点通信模式选择机制， 自身能量储备充足的地面 传感设备直接将信息传输给地面基站， 而自身能量匮乏的传感器节点则需要将信息传输给 无人机， 由无人机将信息转发给地面基站。 0010 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是： 基于无线携能通信网络的无人机中 继系统资源分配方法， 包括以下步骤： 0011 步骤1、 在第一个采样周期n1中， 根据地面终端的初始能量储备情况预分配信息 传输模式； 地面终端的初始能量储备足以支撑以需求速率向地面基站直接传输的能耗， 标 记为直接传输终端GTD； 地面终端的初始能量储备不足以支撑以需求速率向地面基站直接 传输的能耗， 标记为中继。

14、传输终端GTR； 0012 步骤2、 在直接通信模式下， 无人机在下行链路中向所有地面终端广播能量； 0013 步骤3、 在基于TDMA协议的无人机中继通信模式下， 中继传输终端GTR在下行链路 中收集无人机广播的能量， 并在上行链路中将信息传输给无人机， 无人机在收集到中继传 输终端GTR的信息后， 将信息转发给地面基站； 0014 步骤4、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下TDMA协议中的时隙资源分配； 0015 步骤5、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下无人机的飞行轨迹； 0016 步骤6、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下无人机的信息传输功率分配方 案； 001。

15、7 步骤7、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下地面终端GTR的信息传输功率 分配方案； 0018 步骤8、 利用连续凸优化理论， 优化中继通信模式下无人机的能量广播功率分配方 案； 说明书 2/13 页 4 CN 110166107 A 4 0019 步骤9、 根据步骤3给出的地面终端通信模式选择策略对终端设备进行分组， 确定 中继模式地面终端GTR的数量及位置， 结合步骤4-8， 设定初始参数后开展连续凸优化算法， 依次对时隙资源分配， 无人机的飞行轨迹， 无人机信息的传输功率， 地面终端GTR的信息传 输功率， 无人机的能量广播功率进行优化， 而后通过多次迭代， 当地面终端GTR的。

16、周期内吞 吐量增长小于预设阈值时， 停止优化算法， 得到无人机中继系统的最优资源分配策略。 0020 本发明的有益效果是： 采用的U-WPCRN优化策略， 可以根据实际情况进行地面终端 设备通信模式选择， 减少无人机资源浪费的同时保障地面用户的服务质量。 结合连续凸优 化算法能够实现各个通信周期内通信资源分配策略的动态调整以适应地面终端数量及其 初始能量储备情况的周期性变化场景， 具有很强的可行性。 附图说明 0021 图1是本发明实施例的U-WPCRN网络示意图； 0022 图2是本发明实施例的U-WPCRN网络中TDMA协议示意图； 0023 图3(a)是本发明实施例的U-WPCRN网络内。

17、所有地面终端初始能量为零且均处于中 继通信模式时， 飞行周期T120秒时无人机的飞行轨迹示意图； 0024 图3(b)是本发明实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量为零且均处于中 继通信模式时， 飞行周期T160秒时无人机的飞行轨迹示意图； 0025 图3(c)是本发明实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量为零且均处于中 继通信模式时， 飞行周期T200秒时无人机的飞行轨迹示意图； 0026 图3(d)是本发明实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量为零且均处于中 继通信模式时， 飞行周期T240秒时无人机的飞行轨迹示意图； 0027 图4是本发明实施例的U-WPC。

18、RN网络内所有地面终端初始能量为零且均处于中继 通信模式时， 不同周期下的系统吞吐量性能对比； 0028 图5(a)是本发明实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量不同且采用通信 模式选择策略时， 飞行周期T120秒时无人机的飞行轨迹示意图； 0029 图5(b)是本发明实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量不同且采用通信 模式选择策略时， 飞行周期T160秒时无人机的飞行轨迹示意图； 0030 图5(c)是本发明实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量不同且采用通信 模式选择策略时， 飞行周期T200秒时无人机的飞行轨迹示意图； 0031 图5(d)是本发明实施例的。

19、U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量不同且采用通信 模式选择策略时， 飞行周期T240秒时无人机的飞行轨迹示意图； 0032 图6是本发明实施例的U-WPCRN网络内所有地面终端初始能量不同且采用通信模 式选择策略时， 不同周期下的系统吞吐量性能对比； 0033 图7是本发明实施例的U-WPCRN网络所有地面终端初始能量不同且采用通信模式 选择策略时， 不同周期下地面终端最小吞吐量的算法收敛情况； 0034 图8是本发明实施例的U-WPCRN网络所有地面终端初始能量不同且采用通信模式 选择策略时， 不同周期下地面终端最小吞吐量的算法收敛情况。 说明书 3/13 页 5 CN 1101661。

20、07 A 5 具体实施方式 0035 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。 0036 为了解决传统无线传感网络下设备能源短缺问题， 通信覆盖问题以及偏远地区快 速组网问题。 本实施例提供一种基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法， 其中无人机搭载能量广播平台及信息接收终端， 通过TDMA协议向服务范围内的所有地面传 感设备广播能量， 并转发能量资源匮乏的地面传感器节点采集到的传感信息至地面基站。 为提高无人机的使用效率， 提出一种传感节点通信模式选择机制， 自身能量储备充足的地 面传感设备直接将信息传输给地面基站， 而自身能量匮乏的传感器节点则需要将信息传输 给无人机， 由无。

21、人机将信息转发给地面基站。 此外， 每架无人机均配备高精度的GPS， 在室外 场景的视距信道(line-of-sight,LOS)条件下能够被精准定位， 与此同时， 当地面传感器设 备出于安全原因彼此互相不通信时， 通过基于接收信号强度或信息到达时间的非合作定位 技术， 无人机可以作为代理来确定地面设备的位置。 当地面设备彼此通信时， 无人机可以应 用协作定位技术以进一步减少定位误差。 在探知地面设备位置和当前能量储备状况的前提 下， 无人机可以调整飞行轨迹， 能量广播功率， 信息转发功率以实现在飞行周期受限下的信 息吞吐量最大化， 此外， 地面传感器也能以最优的信息传输功率向无人机传输信息，。

22、 利用有 限的能源储备实现通信周期内的信息传输的吞吐量最大化。 0037 本实施例设计了一个基于无人机的U-WPCRN网络建设方案。 将能量传输点与信息 接入点搭载在旋翼无人机上， 利用旋翼无人机的机动性， 联合优化无人机飞行轨迹， 无人机 能量广播功率， 无人机信息传输功率， 地面终端设备信息传输功率， TDMA协议时隙分配方 案， 实现系统内地面终端设备的最小信息吞吐量最大化。 0038 无线携能中继网络(UAV-based Wireless Powered Communication Relay Network,U-WPCRN)由一个搭载无线能量广播节点Powercast TX-9150。

23、1(30W)及信息接收节 点的无人机及若干个地面终端设备组成， 且系统内用户的终端设备均配备无线能量接收模 块Powercast P2110。 无人机在下行链路中同时向所有地面终端广播射频能量信号， 在上行 链路中， 无人机通过TDMA协议接收地面终端的信息， 并将终端用户的信息传输给地面基站。 令无人机的飞行周期为T， 飞行高度为H， 通过离散化采样， 将无人机的轨迹Un映射在二维 平面上， Un(xn,yn)为无人机在第n个采样点处的平面坐标点， xn为无人机在第n 个采样点处的横坐标， yn为无人机在第n个采样点处的纵坐标。 0039 无人机与第k个地面终端的视距信道的信道增益为： 00。

24、40 0041 其中， 为地面终端设备的集合， G0为基准距离下的信道增益系数， Gk(xk,yk)为 第k个地面终端设备的平面坐标点， xi为第k个地面终端设备的横坐标， yi为第k个地面终端 设备的纵坐标； 0042 无人机与地面基站之间的视距信道的信道增益为： 0043 说明书 4/13 页 6 CN 110166107 A 6 0044 其中， O(0,0)为地面基站的水平面坐标， 在本发明中， 地面基站位于二维平面坐 标系的原点， 且基站的高度H与无人机飞行高度一致。 0045 基站与第k个地面终端设备之间路径衰弱信道的信道增益为： 0046 0047其中为地面基站与地面终端设备平面。

25、坐标之间的距离。 g0为基准距离d01m下 的信道增益系数，为信道系数，kCN(0,1)为相互独立的均 值为0方差为1的循环对称复高斯分布。 0048 无人机工作于TDMA协议下， 在子时隙 0中向所有地面终端广播能量信号， 此时第k 个地面用户在下行链路中收集广播节点无人机的射频能量信号为： 0049 0050 其中， T为TDMA协议下的通信周期， 为用户设备的能量收集效率， Powercast生产 的P2110能量接收器的接收效率为51， 0.51。 PEn为无人机在第n个采样点位置时的 射频能量广播功率， 0n为无人机在第n个采样点位置时用于能量广播的时隙，为 无人机在第n个采样点位置。

26、时与第k个地面终端之间的信道功率增益。 0051 本实施例基于无线携能通信网络的无人机中继系统资源分配方法， 包括以下步 骤： 0052 步骤1、 在第一个采样周期n1中， 根据地面终端的初始能量储备情况预分配信息 传输模式。 0053 首先设定通信周期T的大小， 根据地面终端的当前坐标， 计算出地面终端直接将信 息传输给地面基站的能耗为： 0054 0055 其中Rthr为地面终端设备与地面基站之间通信速率的预设阈值， 本发明中， 速率阈 值Rthr为地面终端使用最大功率向地面基站传输信息时所能达到速率的最小值， 即： 0056 0057其中为第k个地面终端以最大传输功率向地面基站发送信息时。

27、的传输速率， 为第K个地面终端的最大信息传输功率， 2为地面基站接收端的高斯白噪声。 0058 如果地面终端的初始能量储备足以支撑以需求速率向地面基站直接传输信息的 说明书 5/13 页 7 CN 110166107 A 7 能耗， 则该地面终端被标记为直接传输终端(Ground terminals in direct transmission mode,GTD)， 在通信周期内直接将信息通过上行链路传输给基站， GTD的集合为 DT。 反之， 地 面终端被标记为中继传输终端(Ground terminals in relay transmission mode,GTR)， 在上行链路中需要将。

28、信息传输给无人机， 通过无人机中继转发信息给地面基站， GTR的集合 为 RT。 GTR与GTD集合的关系可表示为为所有地面设备的集 合。 0059 步骤2、 在直接通信模式下， 由于无人机在下行链路中向所有地面终端广播能量， GTD得以进一步提高与基站通信的吞吐量， GTD与基站之间在周期T内的信息吞吐量为： 0060 0061其中为第k个GTD在上行链路中向基站传输信息的平均发射功率， 为式(4)中给出的预期能耗，为GTD在通信周期内从无人机处收集到的能量。 为采样周期且 0062 步骤3、 在基于TDMA协议的无人机中继通信模式下， GTR在下行链路中收集无人机 广播的能量， 并在上行链。

29、路中将信息传输给无人机， 无人机在收集到GTR的信息后， 将信息 转发给地面基站。 0063 执行完步骤一种的分组策略后， 系统内存在K个GTR终端， 即| RT|K， 此时每个采 样周期被分为K+2个时隙， 在第n个采样点处其中首个时 隙 0n被无人机用于向所有地面终端广播能量， kn,k1,K时隙用于地面终端GTR向 无人机传输信息， 最后的时隙 K+1n用于无人机将之前收集到的GTR的信息转发至基站处。 0064 第k个GTR在第n个采样周期中， 通过时隙 kn以传输功率Pkn,n2,N向无人 机传输信息， 传输功率受最大传输功率约束，忽略内部电路的能量损耗， 此 时GTR在第n个采样周。

30、期开始时的能量储备为： 0065 0066 当n1时， 系统处于终端通信模式选择阶段， 此时GTR的信息传输功率Pk00。 GTR的信息传输功率受到能量约束， 约束条件为： 0067 0068 上式中Bk0表示第k个GTR的初始能量储备情况。 此时在第n个采样周期内， 第k个 说明书 6/13 页 8 CN 110166107 A 8 地面终端GTR与无人机之间的信息传输速率为： 0069 0070 其中kn为第k个GTR在第n个采样周期内分配到用于与无人机通信的时隙， 为该GTR与无人机之间的信道功率增益， Pkn为该GTR的信息传输功率。 0071 此时无人机与地面基站之间的信息传输速率为。

31、： 0072 0073 由于地面终端GTR的信息需要通过UAV中继至地面基站处， GTR与地面基站的实际 通信速率为： 0074 0075 根据上式可知 ， 当无人机从地面终端收集信息的速率等于转发速率时 ， 此时GTR与地面基站之间的实际通信速率达到最大值。 基于上述分析， 中继模式下最大化地面终端GTR周期内信息吞吐量的优化目标可以被建模为： 0076 0077 s.t. (8), 0078 0079 0080 0081 0082 0083 0084 |Un-Un-1|2Vmax, (18) 说明书 7/13 页 9 CN 110166107 A 9 0085 U1UN， k RT,n2,。

32、N, (19) 0086上式中为无人机飞行周期T内， 地面终端GTR与地面基站之间通信的吞吐量， 为GTR与无人机之间在第n个采样点处的通信速率， RUBn为无人机在第n个采样点处 于地面基站之间的通信速率， 首个采样点n1用于执行步骤1中的地面终端通信模式选择 策略， 0n为无人机在第n个采样点处用于广播能量的时隙， kn为地面终端GTR在第n个 采样点中向无人机传输信息的时隙， K+1n为无人机在第n个采样点处向地面基站传输信 息的时隙。 PEn为无人机在第n个采样点处的能量广播功率，为无人机的最大能量广 播功率， QE为无人机可用于能量广播的总能量。 PIn为无人机在第n个采样点处的最大。

33、信息 传输功率，为无人机的最大能量广播功率,QI为无人机可用于信息传输的总能量。 Pkn 为地面终端GTR在第n个采样点处的信息传输功率，为GTR的最大信息传输功率。 Un为 无人机在第n个采样点处的二维坐标， Vmax为无人机的最大飞行速度， 为采样点的时间间 隔长度。 0087 步骤4、 利用连续凸优化理论， 首先优化中继模式下TDMA协议中的时隙资源分配。 给定第r次迭代周期中无人机飞行轨迹Ur， 无人机信息传输功率分配方案无人机能量广 播功率分配方案地面终端GTR的信息传输功率分配方案后， 在第r+1次迭代周期内， 主优化目标P1中的时隙资源优化问题可改写为： 0088 0089 s.。

34、t.(8),(12),(13),(14). 0090 由于约束条件均为待优化时隙k的相关映射， 且优化目标为线性表达式， 因此P2 为凸优化问题， 可利用优化工具如MATLAB软件中的CVX工具箱快速求解， 得到第n个采样点 的当前最优时隙分配方案 0091 步骤5、 利用连续凸优化理论， 优化中继模式下无人机的飞行轨迹。 给定第r次迭代 周期中无人机飞行轨迹Ur， 时隙资源分配方案无人机信息传输功率分配方案无人 机能量广播功率分配方案地面终端GTR的信息传输功率分配方案后， 在第r+1次迭 代周期内， 主优化目标P1中的无人机轨迹优化问题可改写为： 0092 0093 s.t.(8),(12。

35、),(13),(18),(19). 0094 由于约束条件(8),(12),(13)非凸， P3为非凸优化问题。 为将P3转化为凸问题， 首 先引入表示无人机与地面终端GTR及地面基站之间距离平方的松弛变量Mkn|Un-Gk| |2+H2和MBn|Un-O|2+H2， 此时优化目标P3可被改写为： 0095 0096 s.t.(18),(19), 说明书 8/13 页 10 CN 110166107 A 10 0097 0098 0099 0100 Mkn|Un-Gk|2+H2, (23) 0101 MBn|Un-O|2+H2. (24) 0102 接下来， 对约束条件进行一阶泰勒展开， 泰勒。

36、展开式为原约束条件的下界。 令 表示第r个迭代周期中得到的无人机与第k个地面终端GTR距离的平方， 且在第r+1个 优化周期内，为已知值。 此时对地面终端GTR与无人机之间通信速率进行一阶 泰勒展开： 0103 0104 其中， 0105 0106 0107其次， 已知为第r个迭代周期内无人机与地面基站之间距离的平方， RUBn 的一阶泰勒展开下界为： 说明书 9/13 页 11 CN 110166107 A 11 0108 0109 其中， 0110 0111 0112 接下来， 地面终端GTR从无人机处收集到的能量Ekn的一阶泰勒展开式下界为： 0113 0114 基于上述分析， 通过给出。

37、非凸约束条件的一阶泰勒展开式下界， P3.1可改写为凸 优化问题： 0115 0116 s.t. (18),(19), 0117 0118 0119 0120 凸问题P3.2可利用MATLAB中CVX工具箱快速求解， 且所得结果为近似最优解， 随着 迭代周期的增多， 结果将无限逼近最优解。 此时， 在r+1个迭代周期中， 无人机的最优飞行轨 迹被保存为Ur+1Ur+1n,n1,N。 0121 步骤6、 利用连续凸优化理论， 优化中继模式下无人机的信息传输功率分配方案。 说明书 10/13 页 12 CN 110166107 A 12 给定第r次迭代周期中无人机飞行轨迹Ur， 时隙资源分配方案无。

38、人机信息传输功率分配 方案无人机能量广播功率分配方案地面终端GTR的信息传输功率分配方案后， 在 第r+1次迭代周期内， 主优化目标P1中的无人机的信息传输功率分配方案优化问题可改写 为： 0122 0123 s.t. (16), 0124 0125其中表示无人机与地面基站之间的信息吞吐量， 由于无人机的信 息传输功率受限， 单独优化无人机的信息传输功率分配方案无法保证P1中的原约束条件 (13)。 因此， 在第r+1个迭代周期内的无人机信息传输功率优化目标为最大化无人机与地面 基站之间的信息吞吐量， 使得系统内地面设备GTR与地面基站之间的有效中继信息吞吐量 最大化。 0126 由于约束条件。

39、(35)非凸， 因此可以将RUBn进行一阶泰勒展开处理， 将约束条件 (35)的右边式改写为一阶泰勒展开式下界， 0127 0128 将式(36)带入P4的约束条件(35)中， 此时P4为凸优化问题， 可通过MATLAB中的CVX 工具箱求解， 所得结果为近似最优解， 随着迭代周期的增多， 结果将无限逼近最优解。 此时， 在 r + 1 个 迭 代 周 期 中 ， 无 人 机 的 最 优 信 息 传 输 功 率 分 配 方 案 被 保 存 为 0129 步骤7、 利用连续凸优化理论， 优化中继模式下地面终端GTR的信息传输功率分配 方案。 给定第r次迭代周期中无人机飞行轨迹Ur， 时隙资源分配。

40、方案无人机信息传输功 率分配方案无人机能量广播功率分配方案地面终端GTR的信息传输功率分配方案 后， 在第r+1次迭代周期内， 主优化目标P1中的无人机轨迹优化问题可改写为： 0130 0131 s.t. (8),(12),(17). 说明书 11/13 页 13 CN 110166107 A 13 0132 P5为典型凸优化问题， 可利用MATLAB软件中的CVX工具箱快速求解， 在r+1个迭代 周期中， 地面终端GTR的最优信息传输功率分配方案被保存为 0133 步骤8、 利用连续凸优化理论， 优化中继模式下无人机的能量广播功率分配方案。 给定第r次迭代周期中无人机飞行轨迹Ur， 时隙资源。

41、分配方案无人机信息传输功率分配 方案无人机能量广播功率分配方案地面终端GTR的信息传输功率分配方案后， 在第r+1次迭代周期内， 主优化目标P1中的无人机轨迹优化问题可改写为： 0134 0135 s.t. (8),(12),(15). 0136 无人机能量广播功率优化的目标是最大化地面终端GTR在飞行周期T内所能收集 到的最小能量， 此时P6可被改写为： 0137 0138 s.t. (20), 0139 0140其中表示所有地面终端GTR在飞行周期T内所能收集到的最小能量的松弛变 量， 对于任意GTR有Ek为GTR收集到的总能量。 P6.1为典型凸优化问题， 可利用 MATLAB软件中的C。

42、VX工具箱快速求解， 在r+1个迭代周期中， 无人机的最优能量广播功率分 配方案被保存为 0141 步骤9、 首先通过步骤3给出的地面终端通信模式选择策略对终端设备进行分组， 确定中继模式地面终端GTR的数量及位置， 之后结合步骤4-8， 设定初始参数后开展连续凸 优化算法， 依次对实习资源分配， 无人机轨迹， 无人机信息传输功率， 地面终端GTR信息传输 功率进行优化， 而后通过多次迭代， 当地面终端GTR的周期内吞吐量增长小于预设阈值时， 停止优化算法， 此时最后得到的优化结果即为无人机中继系统的最优资源分配策略。 0142 具体实施时， 图1为本实施例的系统场景示意图。 其中无人机在下行。

43、链路中向所有 地面终端广播射频能量信号， 地面终端设备收集到能量后将能量储存在可充电电池中， 以 提供在上行链路中将信息传输给无人机时的能量。 无人机将收集到的信息传输至地面基站 处， 完成通信过程。 每架无人机均配备高精度的全球定位系统(GPS)， 因此无人机的位置能 够被精准定位， 从而通过飞控模块调整飞行轨迹。 0143 图2所示为U-WPCRN网络中的TDMA协议图， 每个时隙被分为K+2个子时隙， K为中继 模式下地面终端的个数。 首个子时隙被无人机用于广播能量， 其次的K个子时隙被K个地面 终端分别用于将信息传输至无人机处。 最后的子时隙用于将无人机收集到的信息转发至地 面基站。 。

44、0144 图3(a)、 图3(b)、 图3(c)、 图3(d)、 所示为所有地面终端初始能量为零时， 飞行周期 分别为T120秒、 T160秒、 T200秒、 T240秒下无人机的飞行轨迹图。 可以看出， 当无人 说明书 12/13 页 14 CN 110166107 A 14 机的飞行周期增大后， 无人机倾向于遍历每个地面终端上空， 并在此时向该地面终端提供 高效率的能量广播及信息中继服务。 0145 图4所示为所有地面终端初始能量为零时， 不同周期下系统内地面终端的吞吐量 性能对比。 可以看出， 随着飞行周期的增大， 系统内终端设备的吞吐量显著提升， 且在周期 为200秒至240秒之间提升。

45、幅度最大。 原因在于当飞行周期为240秒时， 无人机接近于遍历每 个地面终端上方， 此时能量传输及信息接收效率得到显著提高。 0146 图5所示为所有地面终端初始能量不为零时， 对地面终端根据通信模式进行分组 后， 飞行周期分别为T120秒、 T160秒、 T200秒、 T240秒下无人机的飞行轨迹图。 可以 看出， 无人机此时忽略直接通信模式下的地面终端GTD， 将通信及能量资源集中对中继模式 下的地面终端GTR进行服务。 0147 图6所示为所有地面终端初始能量不为零时， 对地面终端根据通信模式进行分组 后， 不同周期下系统内地面终端的吞吐量性能对比。 可以看出， 受益于无人机资源分配的针。

46、 对性， 地面终端的通信模式选择机制使得GTR的吞吐量性能随着无人机飞行时间的增加而 稳步提高。 0148 图7至图8为本实施例在所有地面终端初始能量不为零时， 对地面终端根据通信模 式进行分组后， 使用连续凸优化算法优化系统资源分配策略的算法收敛性能。 可以看出收 敛速度与飞行周期成正比， 不同周期下的算法收敛速度不同。 原因在于固定采样间隔为1S 后， 飞行周期越大， 需要优化的时隙越多。 此外， 计算复杂度的增加意味着可以利用和优化 更多的资源， 这可以带来更好的吞吐量性能。 最后， 当迭代周期足够大时， 算法最终会趋于 稳定并获得最佳系统吞吐量的资源分配方案。 0149 应当理解的是，。

47、 本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。 0150 虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式， 但是本领域普通技术人员应当 理解， 这些仅是举例说明， 可以对这些实施方式做出多种变形或修改， 而不背离本发明的原 理和实质。 本发明的范围仅由所附权利要求书限定。 说明书 13/13 页 15 CN 110166107 A 15 图1 说明书附图 1/10 页 16 CN 110166107 A 16 图2 图3(a) 说明书附图 2/10 页 17 CN 110166107 A 17 图3(b) 说明书附图 3/10 页 18 CN 110166107 A 18 图3(c) 图3(d) 说明书附图 4/10 页 19 CN 110166107 A 19 图4 说明书附图 5/10 页 20 CN 110166107 A 20 图5(a) 说明书附图 6/10 页 21 CN 110166107 A 21 图5(b) 说明书附图 7/10 页 22 CN 110166107 A 22 图5(c) 图5(d) 说明书附图 8/10 页 23 CN 110166107 A 23 图6 说明书附图 9/10 页 24 CN 110166107 A 24 图7 图8 说明书附图 10/10 页 25 CN 110166107 A 25 。