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专利号: 2021100692799
申请人: 南通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-08-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种全双工无人机中继系统联合优化方法,其特征在于,包括:获取位置信息;所述位置信息包括信源节点的位置、信宿节点的位置、窃听节点的位置、无人机起飞的水平位置、无人机起飞的高度、无人机降落的水平位置和无人机降落的高度;

获取上一迭代次数下的飞行参量;所述飞行参量包括发射功率、水平飞行轨迹、飞行高度和保密速率;所述发射功率包括信源节点在各个时隙下的发射功率和无人机中继节点在各个时隙下的发射功率;

由所述上一迭代次数下的飞行参量,对第一联合优化模型进行求解,得到当前迭代次数下的发射功率;所述第一联合优化模型是固定水平飞行轨迹和飞行高度,以保密速率最大为目标,以发射功率、距离信息和位置信息为约束条件构建而成的;所述距离信息包括信源节点与无人机中继节点之间的距离、无人机中继节点与信宿节点之间的距离和无人机中继节点与窃听节点之间的距离;

由所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度,对第二联合优化模型进行求解,得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度;所述第二联合优化模型是固定发射功率,以保密速率最大为目标,以水平飞行轨迹、飞行高度、距离信息和位置信息为约束条件构建而成的;

由所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹和所述当前迭代次数下的飞行高度,计算当前迭代次数下的保密速率;

当所述当前迭代次数下的保密速率与上一迭代次数下的保密速率的差值小于预设阈值,或者当前迭代次数不小于预设最大迭代次数时,将所述当前迭代次数下的发射功率确定为最优发射功率,将所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹确定为最优飞行轨迹,将所述当前迭代次数下的飞行高度确定为最优飞行高度;否则,更新迭代次数后,返回获取上一迭代次数下的飞行参量的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种全双工无人机中继系统联合优化方法,其特征在于,在所述获取位置信息之后,还包括:

将无人机的飞行时间划分为N个大小相等的时隙。

3.根据权利要求1所述的一种全双工无人机中继系统联合优化方法,其特征在于,所述由所述上一迭代次数下的飞行参量,对第一联合优化模型进行求解,得到当前迭代次数下的发射功率,具体包括:

构建第一联合优化模型

0≤PS[n]≤PSmax

0≤PR[n]≤PRmax

其中,PS为信源节点在各个时隙下的发射功率, PS[1]为信源节点在第1个时隙下的发射功率,PS[2]为信源节点在第2个时隙下的发射功率,PS[N]为信源节点在第N个时隙下的发射功率,N为时隙总数, PR为无人机中继节点在各个时隙下的发射功率,PR[1]为无人机中继节点在第1个时隙下的发射功率,PR[2]为无人机中继节点在第2个时隙下的发射功率,PR[N]为无人机中继节点在第N个时隙下的发射功率,PR[n]为无人机中继节点在第n个时隙下的发射功率,γ0为单位距离的信道功率增益与噪声功率的比值,uRD[n]为第n个时隙下无人机中继节点与信宿节点之间的距离的平方, 为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量的上界, 为无人机中继节点的平均发射功率, 为信源节点的平均发射功率,PSmax为信源节点的最大发射功率,PRmax为无人机中继节点的最大发射功率,PS[n]为信源节点在第n个时隙下的发射功率,PS[j]为信源节点在第j个时隙下的发射功率,uSR[j]为第j个时隙下信源节点与无人机中继节点之间的距离的平方;

将所述上一迭代次数下的飞行参量输入所述第一联合优化模型,采用凸优化工具箱进行求解,得到当前迭代次数下的发射功率。

4.根据权利要求1所述的一种全双工无人机中继系统联合优化方法,其特征在于,所述由所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度,对第二联合优化模型进行求解,得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度,具体包括:

构建第二联合优化模型

s.t.q(0)=qI,q(N)=qF||q(n)‑q(n‑1)||≤Zp(n=1…N)h(0)=HI,h(N)=HF

||h(n)‑h(n‑1)||≤Zt,hmin≤h(n)≤hmax(n=1...N)其中,Q为水平飞行轨迹,H为飞行高度,N为时隙总数,q[1]为无人机在第1个时隙下的水平飞行轨迹,q[2]为无人机在第2个时隙下的水平飞行轨迹,q[N]为无人机在第N个时隙下的水平飞行轨迹,h[1]为无人机在第1个时隙下的飞行高度,h[2]为无人机在第2个时隙下的飞行高度,h[N]为无人机在第N个时隙下的飞行高度, 为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量的下界, 为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量的上界,q(0)为无人机的初始水平飞行轨迹,qI为无人机起飞的水平位置,qF为无人机降落的水平位置,q(n)为无人机在第n个时隙下的水平飞行轨迹,q(n‑1)为无人机在第n‑1个时隙下的水平飞行轨迹,h[0]为无人机的初始飞行高度,HI为无人机起飞点的高度,HF为无人机降落点的高度,h(n)为无人机在第n个时隙下的飞行高度,h(n‑1)为无人机在第n‑1个时隙下的飞行高度,Zt为一个时隙内垂直方向可飞行的最大距离,Zp为一个时隙内水平方向可飞行的最大距离,hmin为无人机躲避障碍物所需的最小飞行高度,hmax为无人机最大飞行高度, 为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量的上界, 为第j个时隙下信源节点到无人机中继节点链路的信道容量的下界;

将所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度输入所述第二联合优化模型,采用凸优化工具箱进行求解,得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度。

5.根据权利要求1所述的一种全双工无人机中继系统联合优化方法,其特征在于,所述由所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹和所述当前迭代次数下的飞行高度,计算当前迭代次数下的保密速率,具体包括:

建立保密速率计算模型

其中,Rsec为保密速率,RRD[n]为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量,RRE[n]为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量,N为时隙总数,PR[n]为无人机中继节点在第n个时隙下的发射功率,γ0为单位距离的信道功率增益与噪声功率的比值,dRD[n]为第n个时隙下无人机中继节点与信宿节点之间的距离,dRE[n]为第n个时隙下无人机中继节点与窃听节点之间的距离;

将所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度输入所述保密速率计算模型,得到当前迭代次数下的保密速率。

6.一种全双工无人机中继系统联合优化系统,其特征在于,包括:位置信息获取模块,获取位置信息;所述位置信息包括信源节点的位置、信宿节点的位置、窃听节点的位置、无人机起飞的水平位置、无人机起飞的高度、无人机降落的水平位置和无人机降落的高度;

飞行参量获取模块,用于获取上一迭代次数下的飞行参量;所述飞行参量包括发射功率、水平飞行轨迹、飞行高度和保密速率;所述发射功率包括信源节点在各个时隙下的发射功率和无人机中继节点在各个时隙下的发射功率;

第一求解模块,用于由所述上一迭代次数下的飞行参量,对第一联合优化模型进行求解,得到当前迭代次数下的发射功率;所述第一联合优化模型是固定水平飞行轨迹和飞行高度,以保密速率最大为目标,以发射功率、距离信息和位置信息为约束条件构建而成的;

所述距离信息包括信源节点与无人机中继节点之间的距离、无人机中继节点与信宿节点之间的距离和无人机中继节点与窃听节点之间的距离;

第二求解模块,用于由所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度,对第二联合优化模型进行求解,得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度;所述第二联合优化模型是固定发射功率,以保密速率最大为目标,以水平飞行轨迹、飞行高度、距离信息和位置信息为约束条件构建而成的;

保密速率计算模块,用于由所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹和所述当前迭代次数下的飞行高度,计算当前迭代次数下的保密速率;

最优参数确定模块,用于当所述当前迭代次数下的保密速率与上一迭代次数下的保密速率的差值小于预设阈值,或者当前迭代次数不小于预设最大迭代次数时,将所述当前迭代次数下的发射功率确定为最优发射功率,将所述当前迭代次数下的水平飞行轨迹确定为最优飞行轨迹,将所述当前迭代次数下的飞行高度确定为最优飞行高度;否则,更新迭代次数后,返回所述飞行参量获取模块。

7.根据权利要求6所述的一种全双工无人机中继系统联合优化系统,其特征在于,还包括:

时隙划分模块,用于将无人机的飞行时间划分为N个大小相等的时隙。

8.根据权利要求6所述的一种全双工无人机中继系统联合优化系统,其特征在于,所述第一求解模块,具体包括:

第一模型构建单元,用于构建第一联合优化模型

0≤PS[n]≤PSmax

0≤PR[n]≤PRmax

其中,PS为信源节点在各个时隙下的发射功率, PS[1]为信源节点在第1个时隙下的发射功率,PS[2]为信源节点在第2个时隙下的发射功率,PS[N]为信源节点在第N个时隙下的发射功率,N为时隙总数, PR为无人机中继节点在各个时隙下的发射功率,PR[1]为无人机中继节点在第1个时隙下的发射功率,PR[2]为无人机中继节点在第2个时隙下的发射功率,PR[N]为无人机中继节点在第N个时隙下的发射功率,PR[n]为无人机中继节点在第n个时隙下的发射功率,γ0为单位距离的信道功率增益与噪声功率的比值,uRD[n]为第n个时隙下无人机中继节点与信宿节点之间的距离的平方, 为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量的上界, 为无人机中继节点的平均发射功率, 为信源节点的平均发射功率,PSmax为信源节点的最大发射功率,PRmax为无人机中继节点的最大发射功率,PS[n]为信源节点在第n个时隙下的发射功率,PS[j]为信源节点在第j个时隙下的发射功率,uSR[j]为第j个时隙下信源节点与无人机中继节点之间的距离的平方;

第一求解单元,用于将所述上一迭代次数下的飞行参量输入所述第一联合优化模型,采用凸优化工具箱进行求解,得到当前迭代次数下的发射功率。

9.根据权利要求6所述的一种全双工无人机中继系统联合优化系统,其特征在于,所述第二求解模块,具体包括:

第二模型构建单元,用于构建第二联合优化模型s.t.q(0)=qI,q(N)=qF||q(n)‑q(n‑1)||≤Zp(n=1...N)h(0)=HI,h(N)=HF

||h(n)‑h(n‑1)||≤Zt,hmin≤h(n)≤hmax(n=1...N)其中,Q为水平飞行轨迹,H为飞行高度,N为时隙总数,q[1]为无人机在第1个时隙下的水平飞行轨迹,q[2]为无人机在第2个时隙下的水平飞行轨迹,q[N]为无人机在第N个时隙下的水平飞行轨迹,h[1]为无人机在第1个时隙下的飞行高度,h[2]为无人机在第2个时隙下的飞行高度,h[N]为无人机在第N个时隙下的飞行高度, 为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量的下界, 为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量的上界,q(0)为无人机的初始水平飞行轨迹,qI为无人机起飞的水平位置,qF为无人机降落的水平位置,q(n)为无人机在第n个时隙下的水平飞行轨迹,q(n‑1)为无人机在第n‑1个时隙下的水平飞行轨迹,h[0]为无人机的初始飞行高度,HI为无人机起飞点的高度,HF为无人机降落点的高度,h(n)为无人机在第n个时隙下的飞行高度,h(n‑1)为无人机在第n‑1个时隙下的飞行高度,Zt为一个时隙内垂直方向可飞行的最大距离,Zp为一个时隙内水平方向可飞行的最大距离,hmin为无人机躲避障碍物所需的最小飞行高度,hmax为无人机最大飞行高度, 为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量的上界, 为第j个时隙下信源节点到无人机中继节点链路的信道容量的下界;

第二求解单元,用于将所述当前迭代次数下的发射功率、上一迭代次数下的水平飞行轨迹和上一迭代次数下的飞行高度输入所述第二联合优化模型,采用凸优化工具箱进行求解,得到当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度。

10.根据权利要求6所述的一种全双工无人机中继系统联合优化系统,其特征在于,所述保密速率计算模块,具体包括:

第三模型构建单元,用于建立保密速率计算模型其中,Rsec为保密速率,RRD[n]为第n个时隙下无人机中继节点到信宿节点链路的信道容量,RRE[n]为第n个时隙下无人机中继节点到窃听节点链路的信道容量,N为时隙总数,PR[n]为无人机中继节点在第n个时隙下的发射功率,γ0为单位距离的信道功率增益与噪声功率的比值,dRD[n]为第n个时隙下无人机中继节点与信宿节点之间的距离,dRE[n]为第n个时隙下无人机中继节点与窃听节点之间的距离;

保密速率计算单元,用于将所述位置信息、当前迭代次数下的无人机中继节点在各个时隙下的发射功率、当前迭代次数下的水平飞行轨迹和当前迭代次数下的飞行高度输入所述保密速率计算模型,得到当前迭代次数下的保密速率。