1.一种支持无线功率传输的无人机通信网络资源分配及部署方法,其特征在于:包括以下步骤:S1:建立无人机系统模型;
S2:建立信道模型;
S3:建立无人机及传感器节点电量模型;
S4:建立无人机能耗模型;
S5:建立无人机数据调度及轨迹优化限制条件;
S6:基于无人机能耗优化确定数据调度及能量传输策略。
2.根据权利要求1所述的支持无线功率传输的无人机通信网络资源分配及部署方法,其特征在于:步骤S1中所述的无人机系统模型由一个全双工无人机、多个传感器节点以及一个数据中心组成,其中传感器节点收集环境数据并传输至数据中心;无人机从数据中心正上方出发依次飞行至各传感器节点正上方进行数据收集,完成数据收集后返回数据中心;
令SNk表示第k个传感器节点, 表示为SNk所收集的数据量,Ωk=(xk,yk)表示SNk的位置坐标,k=1,...,K,Ω0=(x0,y0)表示数据中心位置的坐标;将系统时间划分为大小相等的时隙,令T表示时隙总数,τ0表示时隙长度,无人机在一个时隙内位置固定不变,第t个时隙无人机的位置表示为 其中h表示无人机的飞行高度,设置为常数;无人机的初始位置及返回位置均为当无人机飞行或者悬停在某个传感器节点正上方时,采用无线功率传输方式为传感器进行充电,传输能量。
3.根据权利要求1所述的支持无线功率传输的无人机通信网络资源分配及部署方法,其特征在于:步骤S2中所述建立信道模型具体包括:令gt,k表示第t个时隙无人机与SNk之间链路的信道增益,建模为:‑2
gt,k=βdt,k
其中dt,k表示第t个时隙无人机与SNk之间的距离,建模为:β表示距离传感器1米处的信道增益,1≤k≤K。
4.根据权利要求1所述的支持无线功率传输的无人机通信网络资源分配及部署方法,其特征在于:步骤S3中所述建立无人机及传感器节点电量模型,具体包括:令 表示无人机在第t个时隙的电池电量, 的更新公式为:其中 表示初始时刻无人机电池电量的最大值, 为第t个时隙无人机的推进能耗,计算公式为:其中P0和P0′为常数,Utip为转子叶片的叶尖速度,v0为无人机悬停时平均转子诱导速度,vt表示无人机在第t个时隙的飞行速度,ξdrag和ξrotor分别为机身阻力比和转子可靠性,ρair和Srotor分别为空气密度和转子盘面积;
为无人机为传感器节点充电所消耗的能量,建模为:c
其中P为无人机的发射功率,τt为第t个时隙无人机传输能量所需时间,τt≤τ0;
令Bt,k表示SNk在第t个时隙的电池电量,则SNk的电池电量变化过程表示为:其中 表示第t个时隙SNk自身的基础能耗,Bk,max表示SNk的最大电池容量,αt,k∈{0,1}表示传感器节点数据传输变量,αt,k=1表示第t个时隙SNk传输数据至无人机,反之,αt,k=
0;βt,k∈{0,1}表示传感器节点能量收集变量,若βt,k=1,表示在第t个时隙SNk收集来自无人机的能量,反之,βt,k=0; 表示第t个时隙SNk收集的能量,建模为:表示第t个时隙SNk传输数据至无人机所需的能量,建模为:其中,Pt,k为第t个时隙SNk传输数据至无人机对应的发射功率,Tt,k为第t个时隙SNk传输数据所需时间,建模为:其中, 为截至第t个时隙SNk还需传输的数据量,建模为:其中Rt,k表示第t个时隙SNk的传输速率,建模为:2
其中,σ表示传输信道噪声功率。
5.根据权利要求1所述的支持无线功率传输的无人机通信网络资源分配及部署方法,其特征在于:步骤S4中所述建立无人机能耗模型,具体包括:令E表示无人机的总能耗,建模为系统时间内无人机推进能耗与功率传输所需能耗之和,即:
6.根据权利要求1所述的支持无线功率传输的无人机通信网络资源分配及部署方法,其特征在于:步骤S5中所述无人机数据调度及轨迹优化限制条件包括:①无人机数据调度限制条件为:
②SNk传输数据量限制条件为:
③SNk传输数据的能量限制条件为:αt,k=0,若Bt,k≤Bk,th;其中,Bk,th表示能够维持SNk正常传输数据的能量阈值;
④SNk的最小传输速率限制条件为:αt,k=0,若Rt,k<Rk,min;其中,Rk,min表示SNk传输数据的最小速率;
c
⑤无人机发送能量限制条件为:βt,k=0,若βt,kP≤Pk,th;其中,Pk,th表示SNk成功收到无人机传输能量的最低接收功率阈值;
⑥SNk收集能量的限制条件为:βt,k=0,若 即若第t个时隙SNk能量充足,则不进行能量收集;
⑦能量传输时间限制条件为:τt≤τ;
⑧SNk最大发送功率限制条件为:Pt,k≤Pk,max;
⑨无人机瞬时速度限制条件为:0≤vt≤vmax,其中,vmax为无人机的最大飞行速度门限。
7.根据权利要求1所述的支持无线功率传输的无人机通信网络资源分配及部署方法,其特征在于:在步骤S6中,在满足传感器数据传输及能量收集等限制条件下,基于无人机能耗优化确定数据调度及能量传输策略,具体为:*
其中, Pt,k分别表示优化后的αt,k,βt,k,τt,vt, Pt,k。