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专利号: 2024111338956
申请人: 广东工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-10-10
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种无人机应急通信网络节点部署方法,其特征在于,包括:基于无人机收集到的信息建立无人机辅助的应急通信网络的节点部署和拓扑构建联合优化模型;

考虑地面用户的地理位置信息,基于K‑Medoids算法选定K个聚类中心作为无人机的初始水平位置;

根据所述无人机的初始水平位置和地面基站的位置,将集群无人机充当临时的空中基站,为地面用户提供通信服务,所述地面基站负责与所述集群无人机进行数据交换,利用凸优化方法获取任一无人机的最佳高度,确保每个无人机都能在其服务区域内提供足够的信号覆盖,同时最小化总能耗;

基于Dijkstra算法迭代处理网络内所有流量需求,在给定的流量矩阵中为每个需求寻找FSO连接路径,排除带宽不足的链路,寻找满足约束的最短路径,更新网络拓扑和带宽,调整连接权重,直到所有流量需求都被路由,用最少的链路构建网络以降低部署成本;

所述基于Dijkstra算法迭代处理网络内所有流量需求,包括:创建一个空的网络拓扑T,用于存储最终确定的网络结构;利用所有FSO站点构建一个全连接的有向图G,其中每个站点都连接到其他站点,形成双向链接;

利用给定的流量矩阵中的每一个流量需求,获取最终的网络设计存储在拓扑T中;

检查有向图G中所有的连接,标记剩余带宽不足以支持当前的流量需求dst的连接,并将该连接从图G中移除;

在所述有向图G中为当前流量需求寻找一条从点s到点t的最短路径,并检查所述最短路径的端到端误码率是否满足预设的阈值要求;

在所述有向图G中选定最短路径后,减去所述最短路径上每一条连接的剩余带宽中的dst值,并将这些连接及其反向连接均添加到拓扑T中;

对于拓扑T中的每一条连接,根据其剩余带宽相对于其总容量的比例,更新其权重,直到所有流量需求都被处理完毕,将最终的网络设计存储在拓扑T中;

所述对于拓扑T中的每一条连接,根据其剩余带宽相对于其总容量的比例,更新其权重,包括:对于拓扑T中的每一条连接 ,根据其剩余带宽 相对于其总容量 的比例,更新其权重为 。

2.根据权利要求1所述的无人机应急通信网络节点部署方法,其特征在于,所述建立无人机辅助的应急通信网络的节点部署和拓扑构建联合优化模型,包括:设定有K个无人机,集合表示为 ,均搭载FSO和射频通信模块,不仅能与远程基站连接,还能直接服务于灾区内的用户;

所述无人机之间的FSO链路距离表示为 ,网络中流量需求矩阵表示为 ,其中 和 分别是需求的源站点和目标站点, 是所需的带宽;所述无人机与地面用户之间的平均路径损耗表示为 ,其中,C是光速, 是载波频率,d是无人机与地面用户的距离, 是自由空间传播的平均附加损耗;

通过联合优化无人机部署和拓扑构建,以有限的可用功率服务于最大数量的用户,同时使用最少数量的FSO链路以降低部署成本,问题表示为:;

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其中, 是第i个无人机的部署高度, 是其对地发射功率, 是一个二进制变量,是无人机射频通信模块的最大发射功率, 是无人机可向下移动到的最低高度, 是通信所需的最小信道容量;β是介于(0,1)之间的数,用于表示参数权重;δ为端到端误码率阈值;

假设每个集群的用户数量为M, 是无人机与地面用户g之间的距离,是路径损耗指数, 是AWGN噪声的方差, 是 和 之间FSO链路的信道误码率,表示需求 中由索引为 的流量通过链路 传输的带宽部分, 是一个二元变量,当需求 的索引为 的流量使用链路 时,取值为1。

3.根据权利要求2所述的无人机应急通信网络节点部署方法,其特征在于,所述信道误码率,包括:两个FSO收发器之间的链路的信噪比表示为 ,其中, 为光发射功率, 是光电探测器的响应度,表示为FSO信道状态的数学模型;

使用OOK调制方式的FSO链路的瞬时误码率表示为:,其中 是互补误差函数,其闭合形式可以

通过 Meijer’s G 函数表示为 ,因此,FSO链路的平均误码率可表示为 。

4.根据权利要求3所述的无人机应急通信网络节点部署方法,其特征在于,所述FSO信道状态的数学模型,包括:所述FSO信道状态的数学模型表示为:

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其中 是信道损耗系数, 表示由于大气湍流引起的强度波动, 是光电探测器收集的功率分数,取决于光电探测器与接收光束中心的相对距离;

使用Gamma‑Gamma分布确定中度至强湍流状态下的系统性能,使所述FSO信道状态的概率密度函数表示为:;

其中, 是第二类v阶修正贝塞尔函数, 是标准伽玛函数, 是设备光束半径与未对准的抖动标准偏差之间的比值; 和 两个参数能够针对各种湍流条件调整,平面波传播的情况下,它们与物理参数直接相关,表示为:;

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其中 是无单位 Rytov 方差,代表湍流的强度。

5.根据权利要求1所述的无人机应急通信网络节点部署方法,其特征在于,所述考虑地面用户的地理位置信息,基于K‑Medoids算法选定K个聚类中心作为无人机的初始水平位置,包括:将用户分组成K个簇;

获取所有N个用户的距离矩阵D和任一用户的不相似度指数;

将所述用户按照所述不相似度指数升序排列,并选择前K个值作为初始聚类中心;

为任一簇分配最接近的M个用户,并不断更新簇中心,直到获取中心位置,作为无人机的初始水平位置;

所述中心位置使得簇内距离之和最小。

6.一种基于如权利要求1‑5任一权利要求所述的无人机应急通信网络节点部署方法的系统,其特征在于,包括:数据采集模块,采集任一用户的地理位置信息;

预处理模块,与所述数据采集模块进行数据交互,用于根据所述地理位置信息,通过距离矩阵和不相似度指数,选定K个聚类中心作为无人机的初始水平位置;

处理模块,与所述预处理模块进行数据交互,用于根据所述无人机的初始水平位置,确定地面基站的位置,并将集群无人机充当临时的空中基站,为地面用户提供通信服务,所述地面基站则负责与所述集群无人机进行数据交换,获取任一无人机的最佳高度、最佳发生功率,确保每个无人机都能在其服务区域内提供足够的信号覆盖,同时最小化总功率消耗;

网络构建模块,与所述处理模块进行数据交互,用于通过迭代处理任一流量需求,排除带宽不足的连接,寻找满足约束的最短路径,更新网络拓扑和带宽,调整连接权重,直到所有流量需求都被路由,以用最少的链路构建网络。

7.一种无人机应急通信网络节点部署和拓扑联合优化用电子装置,其特征在于,包括:存储介质,用于存储计算机程序,

处理单元,与所述存储介质进行数据交换,用于在进行无人机应急通信网络节点部署和拓扑联合优化时,通过所述处理单元执行所述计算机程序,进行如权利要求1‑5任一权利要求所述的无人机应急通信网络节点部署方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质,其特征在于:

所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序;

所述计算机程序在运行时,执行如权利要求1‑5任一权利要求所述的无人机应急通信网络节点部署方法的步骤。