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专利号: 2017102011165
申请人: 中国民航大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种空时分组编码的无人机中继通信航迹规划方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)建立空时分组编码的无人机中继通信系统模型,包括:

(1)t时刻在可移动式接入节点以一定的功率P1在两个连续时隙,以空时分组编码的方式通过两个发射天线发射信号;

(2)无人机分别在第一个时隙和第二个时隙接收到来自可移动式接入节点的信号,再以一定的功率P2采用放大转发方式转发接收到的可移动式接入节点发射的信号;

(3)在基站节点分别在第三和第四个时隙接收到无人机发射的信号,基站节点的接收机通过信道估计精确获得所有信道的衰落系数,采用最大比值合并方法对两个时隙接收到的信号进行相关合并处理;包括:a)在第三个时隙,基站节点的两个接收天线接收到无人机发射的信号分别表示为:在第四个时隙,基站节点的两个接收天线接收到无人机发射的信号分别表示为:

式中,s1代表第1个时隙可移动式接入节点中的第1个发射天线(A1)发送符号;s2代表第

1个时隙可移动式接入节点中的第2个发射天线(A2)发送符号; 代表第2个时隙可移动式接入节点中的第1个发射天线(A1)发送符号; 代表第2个时隙可移动式接入节点中的第2个发射天线发送符号,其中*代表复共轭运算;r11代表无人机接收天线在第1个时隙接收到来自可移动式接入节点发射的信号; 代表无人机接收天线在第2个时隙接收到来自可移动式接入节点发射的信号;G代表增益因子; 代表在第三个时隙基站节点的第1个接收天线(B1)接收到来自无人机发射的信号; 代表在第三个时隙基站节点的第2个接收天线(B2)接收到来自无人机发射的信号; 代表在第四个时隙基站节点的第1个接收天线接收到来自无人机发射的信号; 代表在第四个时隙基站节点的第2个接收天线接收到来自无人机发射的信号;P2代表无人机发射信号功率; 代表在第三个时隙基站节点第1个接收天线接收到的均值为0,方差为 的复高斯白噪声; 代表在第三个时隙基站节点的第2个接收天线接收到的均值为0,方差为 的复高斯白噪声; 代表在第四个时隙基站节点的第1个接收天线接收到的均值为0,方差为 的复高斯白噪声; 代表在第四个时隙基站节点的第2个接收天线接收到的均值为0,方差为 的复高斯白噪声; 代表无人机第1个发射天线到基站节点第1个接收天线的信道衰落系数; 代表无人机第1个发射天线到基站节点第2个接收天线的信道衰落系数,所述信道衰落系数建模为:其中,n=1,2;m=1; 代表无人机第m个发射天线到基站节点第n个接收天线之间信道的小尺度衰落系数,所述小尺度衰落系数建模成均值为0,方差为1的复高斯随机变量;dUB代表无人机至基站节点的距离,为方便化简,上式中引入了以下参量:b)基站节点的接收机通过信道估计精确获得所有信道的衰落系数:

c)基站节点采用最大比值合并方法对两个时隙接收到的信号进行相关合并处理:基站节点的接收机按下式对基站节点两个时隙接收到的信号进行相关合并处理:

将 和 分别代入该式,化简后得到:

式中,

2)以遍历容量最大化准则建立无人机中继通信系统的航迹规划模型,包括:

(1)求t时刻无人机中继通信系统的遍历容量;包括:

t时刻无人机中继通信系统的遍历容量表示为:

其中,rout,t代表t时刻基站节点的接收机解调器输入的瞬时信噪比,具体为:其中, ||·||F代表Frobenius范数;

dAU代表可移动式接入节点到无人机的距离;α代表路径损耗因子; 代

表无人机接收天线在t时刻接收到的复高斯白噪声的方差; 代表基站节点接收天线接收到的复高斯白噪声的方差;

由上式观测到:基站节点的接收机解调器输入的瞬时信噪比由可移动式接入节点至无人机的距离dAU、无人机至基站节点的距离dUB、可移动式接入节点至无人机链路的小尺度衰耗 和无人机至基站节点的小尺度衰耗联合确定;

(2)分别求可移动式接入节点至无人机的距离和无人机至基站节点的距离;

(3)建立无人机中继通信系统的航迹规划模型;包括:

t时刻无人机中继通信系统的遍历容量公式表示为:

对t时刻无人机中继通信系统的遍历容量公式进行泰勒级数展开,并取展开式的第一项为:其中,E{rout,t}代表t时刻基站节点的接收机解调器输入的平均信噪比,表示为:其中, dAU,t代表t时刻可移动式接入节点到无人

机的距离;dUB,t代表t时刻无人机至基站节点的距离;

考虑到(17)式计算仍比较困难,再次利用泰勒级数对上式展开,并取展开式中的第一项为:将dAU,t和dUB,t代入上式,观测得到以下结论:在t-Δt时刻无人机位置给定情况下,t时刻无人机中继通信系统基站节点的接收机解调器输入平均信噪比仅决定于t时刻无人机的航向角δt,为使t时刻无人机中继通信系统链路容量最大化,基于遍历容量最大化准则来优化无人机的航向角,所述优化无人机的航向角的优化问题表述为:此外进一步考虑到log2(·)为单调递增函数,优化无人机的航向角的问题最后表示为:其中, 代表t时刻无人机的最佳航向角;上述优化无人机的航向角的问题的求解通过一维线性搜索方法解决。

2.根据权利要求1所述的一种空时分组编码的无人机中继通信航迹规划方法,其特征在于,步骤1)中第(1)步所述的以空时分组编码的方式通过两个发射天线发射信号,是在第一个时隙,可移动式接入节点中的第一个发射天线(A1)发送符号s1,第二个发射天线(A2)发送符号s2,第二个时隙,第1个发射天线发送符号 第2个发射天线发送符号 其中*代表复共轭运算,且发送符号满足E{|si|2}=1,其中,i=1,2;E为期望运算。

3.根据权利要求1所述的一种空时分组编码的无人机中继通信航迹规划方法,其特征在于,步骤1)中第(2)步所述的无人机分别在第一个时隙和第二个时隙接收到来自可移动式接入节点的信号表示为:其中, 代表无人机接收天线在第1个时隙接收到均值为0,方差为 的复高斯白噪声,代表接收天线在第2个时隙接收到均值为0,方差为 的复高斯白噪声,在不同时隙的噪声信号统计独立; 代表可移动式接入节点的第1个发射天线到无人机第1个接收天线的信道衰落系数, 代表可移动式接入节点的第2个发射天线到无人机第1个接收天线的信道衰落系数,所述信道衰落系数建模为:其中,i=1;j=1,2; 代表可移动式接入节点第j个发射天线到无人机第i个接收天线之间信道的小尺度衰落系数,所述小尺度衰落系数建模成均值为0,方差为1的复高斯随机变量;α代表路径损耗因子,dAU代表可移动式接入节点到无人机的距离。

4.根据权利要求1所述的一种空时分组编码的无人机中继通信航迹规划方法,其特征在于,步骤1)中第(2)步所述的以一定的功率P2采用放大转发方式转发接收到的可移动式接入节点发射的信号是:无人机接收到可移动式接入节点发送信号后,采用放大转发方式将接收到信号乘以一个增益因子G:

5.根据权利要求1所述的一种空时分组编码的无人机中继通信航迹规划方法,其特征在于,步骤2)中第(2)步包括:为精确给出可移动式接入节点至无人机的距离和无人机至基站节点的距离,建立三维直角坐标,假设固定基站节点的位置坐标为(xB,yB,0),t时刻可移动式接入节点的位置坐标为(xA,t,yA,t,0),无人机的位置坐标为(xt,yt,ht),利用各个节点的位置坐标计算得到t时刻无人机分别与可移动式接入节点和基站节点的距离分别为:进一步假设无人机的飞行高度始终保持为h,且无人机以恒定速度v飞行,则无人机在t时刻的位置根据无人机在t-Δt时刻位置信息,并利用以下方程:更新获得:

其中,δt代表t时刻无人机的航向角,满足δt-Δt-δmax≤δt≤δt-Δt+δmax,其中δmax代表无人机的最大航向角;Δt代表无人机位置更新的时间间隔;

上式表明:在t-Δt时刻无人机的位置给定后,t时刻可移动式接入节点与无人机及无人机与基站节点的距离仅决定于t时刻的无人机的航向角δt。