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专利号: 2021101992235
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-02-26
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种无人机的中继选择方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:利用卫星定位系统获取用户与基站的位置集合;

S2:根据任务传输路径和计算位置定义三种传输模式,包括:用户将任务发送给无人机计算,用户将任务发送给无人机并由无人机将任务转发给基站计算,用户将任务发送给基站计算,构建网络寿命模型;

S3:通过分别固定无人机位置、传输功率和传输模式中的两个变量,将网络寿命问题分解为位置优化问题、功率优化问题和模式优化问题,进行相应求解;当固定任务传输功率和传输模式时,将寿命问题转换为位置优化问题并采用凸优化方法求解;

S4:当固定无人机位置和传输模式时,将寿命问题转换为功率优化问题,针对问题非凸性采用一阶泰勒展开式进行凸近似逼近并求解;

S5:当固定无人机位置和传输功率时,将寿命问题转换为模式优化问题并采用线性规划方法求解;

S6:采用块坐标迭代算法求得最优无人机位置、任务发送功率以及传输模式行任务发送;

所述步骤S1根据任务传输路径和计算位置定义三种传输模式,具体包括:单个用户的剩余寿命Ls表示为:其中,Ls表示用户s∈S的剩余寿命,S表示用户集合,取值范围为[0,1],si代表用户s发送的第i个任务,Ns表示用户s发送的总任务数,Es表示用户s的初始总能量, 表示用户s发送第i个任务消耗的能量, 表示用户s发送第i个任务的模式选择变量,其中k∈{1,2,3}表示模式1、模式2和模式3,三种传输模式分别为L0、L1、L2, 的取值范围为{0,1},表示用户s发送第i个任务时采用第k种传输模式,并且另外两种传输模式不被选择,则表示第k种传输模式不被选择;

通过对网络中所有用户剩余寿命加和所述构建网络寿命模型,具体包括:用户网络的剩余寿命问题表示为:s.t.C1:χuav∈DC2:

C3:

C4:

C5:

其中,χuav=(xuav,yuav,zuav)表示无人机的运行坐标,xuav,yuav,zuav分别表示三维坐标系中x轴、y轴、z轴坐标, 表示任务i在第k个传输模式下的传输功率,Pmax表示最大传输功率,Rmin表示最小传输速率, 表示用户s在第k中传输模式下的传输速率,约束C1表示无人机的飞行范围在位置固定集合D中;约束C2和C3表示用户仅选择一种传输模式进行任务传输;约束C4表示用户的传输功率不能超过最大值Pmax;约束C5表示任务的传输速率不能小于最小传输速率Rmin,即任务传输速率必须足够大来保证任务的可靠传输;

将用户网络的剩余寿命问题转换为任务发送能耗最小问题进行求解,包括:s.t.C1:χuav∈DC2:

C3:

C4:

C5:

其中,

所述步骤S3当固定任务传输功率和传输模式时,将寿命问题转换为位置优化问题并采用凸优化方法求解,具体包括:位置优化模型表示为:

s.t.C1:Hmin≤zuav≤HmaxC2:xuav,yuav∈[‑X,X]Hmin、Hmax分别表示无人机飞行的最高高度和最低高度,X表示无人机水平面运动的坐标范围,其中,该问题中的模式选择变量和发射功率提前给定,只有无人机的位置是变量,因此该问题是一个凸优化问题,直接通过运用MATLAB中的CVX工具包仿真来求解最优位置;

所述步骤S4固定无人机位置和传输模式,将寿命问题转换为功率优化问题,具体包括:针对问题的非凸性采用一阶泰勒展开式进行凸近似逼近并求解;

功率优化模型表示为:

s.t.C1:

C2:

其中,该问题中的目标函数是一个非凸函数,因此该问题是个非凸问题,,采用连续凸近似的方式来进行求解;

令 因为任何凸函数的一阶泰勒展开式在任何点上都为该函数的下界,因此针对该问题在给定点 的下界通过求解以下问题得到:r

表示某一定点,U表示在定点 下的函数下界,其中 表示的高阶无穷小,D1表示为:r

当给定任意一点 和下限U,问题可以近似优化为:s.t.C1:

C2:

D1和U均表示中间函数,因为目标函数是凸函数,并且限制条件都为线性约束,因此该问题是一个凸问题,采用MATLAB中的CVX工具包仿真在内的标准凸优化求解方法进行求解;

所述步骤S5固定无人机位置和传输功率,将寿命问题转换为模式优化问题并采用线性规划方法求解,具体包括;

模式优化模型表示为:

s.t.C1:

C2:

C3:

因为在已经给定无人机的位置和任务发送功率时,目标函数中γk和 都是固定值,只有 为变量,而且三个约束条件都为线性约束,因此该问题是一个线性规划问题,采用拉格朗日乘子法或单纯形法在内的标准优化方法进行求解。

2.根据权利要求1所述的一种无人机的中继选择方法,其特征在于,所述步骤S6采用块坐标迭代算法将三个子问题进行迭代求解,得到最优无人机位置、任务发送功率以及传输模式进行任务发送;块坐标迭代算法的基本思想是通过循环固定两个变量求解另一变量的局部最优解,并对求解的局部最优解进行循环迭代,直到迭代误差小于门限值。