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专利号: 2021109760414
申请人: 燕山大学
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:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种多旋翼无人机辅助反向散射通信系统的能效优化方法,其特征在于:包括如下步骤:S1、将一台多旋翼无人机充当移动信号发射器和信号接收器,根据实际需求在水平地面上的既定区域内布置K个反向散射设备收集多旋翼无人机发射的信号为自身运行提供能量,反向散射设备的集合表示为 在反向散射设备分布区域内建立三维坐标系,第k个反向散射设备坐标设置为 多旋翼无人机飞行的起点坐标设置为qs=(xs,ys,H);多旋翼无人机在整个飞行过程中所用时间为T,在多旋翼无人机执行任务过程中的某一时刻t,t∈[0,T]时,多旋翼无人机的坐标表示为qt=(xt,yt,H);

S2、基于步骤S1中多旋翼无人机与K个反向散射设备的三维坐标系,建立系统数学模型,根据多旋翼无人机和反向散射设备的通信信道条件建立通信信道模型,通信信道模型为多旋翼无人机和反向散射设备之间完全无阻挡的视距路径构成的自由空间传播模型;

S3、根据步骤S2中的系统数学模型及通信信道模型,得到多旋翼无人机发射的信号到达第k个反向散射设备位置处的功率,进而得到第k个反向散射设备反射后发出的信号功率;

S4、多旋翼无人机发射的信号经第k个反向散射设备反射后被多旋翼无人机接收并成功解码,根据香农公式,得到多旋翼无人机发射的信号接收速率模型和多旋翼无人机的总吞吐量;

S5、根据多旋翼无人机处于推进状态的消耗功率和时长及悬停状态的功率和时长,得到多旋翼无人机飞行全程的能量消耗模型;

S6、根据步骤S4中得到的多旋翼无人机总吞吐量和步骤S5中得到的多旋翼无人机能量消耗量,得到多旋翼无人机的能效模型;

S7、使用带约束的聚类算法,对区域内的反向散射设备进行簇划分,同时考虑未落到簇内的反向散射设备后确定各个局部最佳悬停点;

S8、根据步骤S7确定的凸集区域和悬停点,使用TSP问题的解决算法得到遍历悬停点的最佳路径,进而计算出最优能效。

2.根据权利要求1所述的一种多旋翼无人机辅助反向散射通信系统的能效优化方法,其特征在于:所述步骤S2中,多旋翼无人机与第k个反向散射设备之间的信道增益为:其中, 表示多旋翼无人机与反向散射设备间的信道增益;β0表示参考距离为1米处的信道增益, 其中c为光速,f为载频;α表示路径损耗指数; 表示多旋翼无人机与第k个反向散射设备之间的距离,

3.根据权利要求2所述的一种多旋翼无人机辅助反向散射通信系统的能效优化方法,其特征在于:所述步骤S3中多旋翼无人机发射的信号到达第k个反向散射设备位置处的功率为:其中,Put表示多旋翼无人机的信号发射功率,设定为常数;

第k个反向散射设备反射后发出的信号功率为:

其中, 为第k个反向散射设备的反射系数。

4.根据权利要求3所述的一种多旋翼无人机辅助反向散射通信系统的能效优化方法,其特征在于:所述步骤S4中多旋翼无人机发射的信号经反向散射设备反射后被多旋翼无人机接收并成功解码的约束表达式为:其中, 表示多旋翼无人机发射的信号经反向散射设备反射后被多旋翼无人机接收全过程的信噪比, 为通信信道中的高斯白噪声功率;γ为信号可解码的信噪比阈值;

根据香农公式,得到多旋翼无人机的信号接收速率模型为:

其中,Rk表示多旋翼无人机的信号接收速率,B表示信道带宽;

多旋翼无人机的总吞吐量为K个反向散射设备吞吐量的总和,多旋翼无人机的总吞吐量表达式为:其中,Q表示多旋翼无人机的总吞吐量;λk(t)为反向散射设备的调度函数,λk(t)=1表示在t时刻该反向散射设备反射信号,λk(t)=0表示在t时刻该反向散射设备不反射信号。

5.根据权利要求4所述的一种多旋翼无人机辅助反向散射通信系统的能效优化方法,其特征在于:所述步骤S5中多旋翼无人机飞行全程的能量消耗模型为:Etotal=PfTf+(Ph+Put)Th,

其中,Etotal表示多旋翼无人机飞行全程的能量消耗;Tf为多旋翼无人机飞行全程中的推进时间,Th为多旋翼无人机飞行全程中的悬停时间,则T=Tf+Th;Pf为多旋翼无人机推进功率,Ph为多旋翼无人机悬停功率。

6.根据权利要求5所述的一种多旋翼无人机辅助反向散射通信系统的能效优化方法,其特征在于:所述步骤S6中多旋翼无人机的能效模型的表达式为:其中,EE表示多旋翼无人机的能效。

7.根据权利要求6所述的一种多旋翼无人机辅助反向散射通信系统的能效优化方法,其特征在于:所述步骤S7的具体过程为:(1)多旋翼无人机悬停时所能覆盖的地面最大范围的半径记为R,在水平面上,设定每个反向散射设备都存在一个以其坐标为圆心,以R为半径的势力范围;

(2)步骤(1)中的多个势力范围之间存在相交、相切和相离的位置关系,多个势力范围相交得到的范围为一个凸集,找出所有凸集区域;

(3)检查以所有凸集区域内的边界上各个点为圆心、R为半径的圆覆盖的反向散射设备集合是否与集合 相同;若有未覆盖到的反向散射设备,再根据未覆盖的反向散射设备的坐标计算出凸集区域外的悬停点。

8.根据权利要求7所述的一种多旋翼无人机辅助反向散射通信系统的能效优化方法,其特征在于:所述步骤S8中通过TSP问题的解决算法,以路径长度最短为目标确定出凸集区域上的悬停点,同时确定出所有悬停点的访问顺序,从而得出多旋翼无人机的最优路径和最优能效。