一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法
阅读说明：本技术 一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法 (Unmanned aerial vehicle data and energy transmission method assisted by intelligent reflection surface ) 是由 杨鲲 符钰婧 梅海波 于 2021-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法,涉及无人机通信技术领域,包括将智能反射表面附着在建筑物上,无人机通过智能反射表面与视距链路被阻挡的地面设备进行数据与能量的传输；建立无人机与地面设备的上行数据传输模型和下行能量传输模型,并根据地面设备数据传输的需求设置地面设备收集能量最大化的优化问题；采用块坐标下降和连续凸优化方法将优化问题分解为三个子问题,并对每个子问题分别求解,最后通过迭代算法将各个子问题的解进行迭代得到最终解。本发明在智能反射表面辅助下的无人机与地面设备的调度方案,给出了优化的数据与能量传输的时隙分配方案,在保证地面设备数据的传输要求下,增加了收集到的能量。(The invention relates to an unmanned aerial vehicle data and energy transmission method under the assistance of an intelligent reflection surface, which relates to the technical field of unmanned aerial vehicle communication and comprises the steps that the intelligent reflection surface is attached to a building, and the unmanned aerial vehicle transmits data and energy through the intelligent reflection surface and ground equipment with a blocked line-of-sight link; establishing an uplink data transmission model and a downlink energy transmission model of the unmanned aerial vehicle and ground equipment, and setting an optimization problem of maximum energy collection of the ground equipment according to the data transmission requirement of the ground equipment; and decomposing the optimization problem into three subproblems by adopting a block coordinate descent and continuous convex optimization method, respectively solving each subproblem, and finally iterating the solution of each subproblem through an iterative algorithm to obtain a final solution. The invention provides an optimized time slot allocation scheme for data and energy transmission by adopting a scheduling scheme of the unmanned aerial vehicle and the ground equipment under the assistance of the intelligent reflecting surface, and increases the collected energy under the condition of ensuring the transmission requirement of the ground equipment data.)
技术领域
本发明涉及无人机通信技术领域，尤其涉及一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法。
背景技术
无人机在现代无线网络中扮演着越来越重要的角色，作为一个空中飞行的无线通信平台，无人机可以作为空中基站、数据收集平台、移动中继和移动边缘计算云等。与传统的基站不同，由于其高度的移动性和操作灵活性，无人机能够通过飞到更高的地方来避开障碍物，与通信节点建立视距传输链路。通过联合优化无人机的飞行轨迹和资源分配，现有的通信系统的系统表现可以大幅度提高。
然而，由于无线传播环境的随机性和不可预测性，可能会导致接收信号的质量不可控地变差。基于这个问题，第六代移动通信中出现的智能反射表面技术，能够在无线网络中增强信号的强度。智能反射表面（Intelligent Reflecting Surface, IRS）是一个由无源电磁材料构成的二维大规模阵列表面。每一个无源反射元都可以在智能反射表面的智能控制器下，对入射的信号进行一个相移，从而使得反射的信号相干或者相消从而达到预设的接收目标。由于智能反射表面的低能耗和低成本，它可以被广泛部署在现有的无线通信环境中。
在一些城市区域，无人机与地面设备的视距链路可能会被严重阻挡，无人机的移动使得信号传播环境变得更加复杂。除此之外，无人机与地面设备的远距离造成的较大路径损耗也是信号质量差的原因之一。目前，对于智能反射表面辅助下的无人机通信，主要都是考虑了数据的传输，并未涉及到能量的传输。也未考虑更实际的多个设备与多个智能反射表面的情况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法，能够解决无人机与地面设备视距链路阻挡时，造成的信号质量较差的问题，同时无人机能对地面设备充能，解决了设备能量供应不足的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法，所述数据与能量传输方法包括：
S1、将智能反射表面附着在地面设备周围的建筑物上，无人机通过智能反射表面与视距链路被阻挡的地面设备进行数据与能量的传输；
S2、建立无人机与地面设备的上行数据传输模型和下行能量传输模型，并根据地面设备数据传输的需求设置地面设备收集能量最大化的优化问题；
S3、采用块坐标下降和连续凸优化方法将优化问题分解为三个子问题，并对每个子问题分别求解，最后通过迭代算法将各个子问题的解进行迭代得到最终解。
所述采用块坐标下降和连续凸优化方法将优化问题分解为三个子问题，并对每个子问题分别求解，最后通过迭代算法将各个子问题的解进行迭代得到最终解包括：
A1、初始化数据与能量传输的时隙分配变量，无人机的飞行轨迹，智能反射表面的相移矩阵；
A2、在Ξr，Qr，Θr一定时，优化问题转换为一个只以无人机与地面设备的调度变量为优化变量的线性规划问题，并利用线性规划方法包求解得到最后的无人机与地面设备的调度Ar+1，其中r表示迭代次数；
A3、在Ar+1，Ξr，Θr一定时，优化问题的优化变量只有无人机的轨迹，利用连续凸优化方法求解无人机的轨迹优化问题，得到优化轨迹Qr+1；
A4、根据优化轨迹Qr+1和最优的相移公式，得到最优的智能反射表面的相移矩阵Θr+1；
A5、在Ar+1，Qr+1，Θr+1一定时，优惠问题转换为一个只以Ξr为优化变量的线性规划问题，利用线性规划方法求解得到最优的数据与能量传输的时隙分配Ξr+1；
A6、根据Ar+1，Qr+1，Θr+1，Ξr+1求解得到当前迭代的最大收集能量Er+1，设置迭代精度，为预先设定的迭代精度，如果，更新迭代次数r=r+1，返回步骤A2；否则直接结束。
所述无人机通过智能反射表面与视距链路被阻挡的地面设备进行数据与能量的传输包括：
将无人机的飞行轨迹离散化为M个点，整个飞行周期T划分为M个等长的时隙，每个时隙的长度为Δτ；
无人机飞行过程中的每一个时隙，无人机先给地面设备进行无线能量传输，然后接收地面设备传输的数据，用 表示无人机在每一个时隙用于给地面设备充能的时隙分配比例，其中 表示地面设备的集合，表示无人机飞行周期内所有时隙的集合；
在每一个时隙，无人机最多选择一个地面设备来进行数据和能量传输，用ak[t]表示无人机与地面设备的调度，ak[t]=1表示无人机在第t个时隙选择与第k个地面设备进行数据和能量传输；
无人机在每个时隙的位置坐标为[q[t],ZU]T， 其中q[t]=[x[t],y[t]]为水平坐标， ZU表示无人机的飞行高度，实现对人机轨迹的求解。
将无人机在第t个时隙给第k个地面设备充能的路径损耗模型设置为，其中表示第个智能反射表面到第k个地面设备的路径损耗，表示在第t个时隙，从无人机到第个智能反射表面的路径损耗，θkl[t]表示在第t个时隙，第l个智能反射表面对于第k个地面设备的相移矩阵，与分别表示第个智能反射表面与第k个地面设备的距离以及与在第t个时隙与无人机的距离，表示从第个智能反射表面到第k个地面设备的信号离开角的余弦值，表示在第t个时隙从无人机到第个智能反射表面的到达角的余弦值，d为天线间隔，λ为载波波长，ρ为参考距离为1m时的路径损耗。
将无人机在第t个时隙通过第个智能反射表面收集第k个地面设备发送的数据的信道增益设置为，表示从第k个地面设备到第个智能反射表面的信道增益，表示从第k个地面设备到第个智能反射表面的信号到达角的余弦值， 表示在第t个时隙，从第个智能反射表面到无人机的信道增益，θkl[t]表示在第t个时隙，第个智能反射表面对于第k个地面设备的相移矩阵，表示在第t个时隙从第个智能反射表面到无人机的离开角的余弦值。
对于第k个地面设备，在第t个时隙的可达速率为，其中Pk表示第k个地面设备的发射功率，在整个飞行周期所能收集的能量为，其中σ2表示噪声功率，η表示能量转换效率，PU表示无线能量传输功率，为无人机在第t个时隙给第k个地面设备充能的路径损耗模型。
将智能反射表面的每一个反射元素的相移表示为， 其中表示智能反射表面的集合，表示每一个智能反射表面的反射元素的集合，其坐标为，其中 ，表示水平横坐标，水平纵坐标。智能反射表面采用均匀线性阵列，第个智能反射表面在第t个时隙对于第k个地面设备的相移矩阵为，其中 表示以a为对角元素的对角矩阵，实现对优化问题的模型建立。
通过智能反射表面的N个反射元反射的无线能量信号应该使其具有相同的相位，即；对于每一个反射元，当每个发射信号的相位角设为0时，能够得到最大的收集能量，因此最优的相移可以表示为。
设置地面设备收集能量最大化的优化问题为：，并设置约束条件：、、、、、和；
其中表示所有的地面设备收集的能量，Dk表示第k个地面设备的数据传输需求，Pk表示第k个地面设备的发送功率，表示第k个地面设备的剩余能量要求，Vmax为无人机的最大飞行速度，，，，分别表示无人机与地面设备的调度变量集合，无人机的飞行轨迹，智能反射表面的相移矩阵和数据与能量传输的时隙分配的变量集合。
在Ar+1，Ξr，Θr一定时，优化问题的优化变量只有无人机的轨迹，利用连续凸优化方法求解无人机的轨迹优化问题，得到优化轨迹Qr+1包括：
A31、设置为第r次迭代时无人机的轨迹，qr[t]第r次迭代时的水平坐标，设置，其中 ρ 为参考距离为1m时的路径损耗，N为每个智能反射表面的反射元数目， 表示第个智能反射表面与第k个地面设备的距离，则通过一阶泰勒展开式得到的下界，其中，表示在第t个时隙，第k 个地面设备通过第l个智能反射表面收集到的能量；
A32、利用下界和，将求解无人机的轨迹优化问题转换为，约束条件为，、和，其中，优化问题的优化目标函数和约束条件都是关于轨迹q[t]的凸函数，优化问题被转换为一个凸问题，可以用标准的凸优化求解器求解，得到优化轨迹Qr+1。
本发明具有以下优点：一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法，无人机利用智能反射表面进行数据和能量传输，在视距链路阻挡时，显著地提高了信号的质量；设计了在智能反射表面辅助下的无人机与地面设备的调度方案，给出了优化的数据与能量传输的时隙分配方案，在保证地面设备数据的传输要求下，增加了收集到的能量；通过无人机的轨迹优化进一步地提高了地面设备通过智能反射表面收集到的能量；提出的算法适用于不同飞行时间、不同飞行高度的智能表面辅助下的无人机数据与能量传输系统。
附图说明
图1为本发明的数据与能量传输原理图；
图2为本发明的算法流程图；
图3为不同飞行时间下，提出的算法与其他基本算法在收集能量的表现比较仿真图
图4为在不同反射元数量的智能反射表面下，所提出的算法的在收集能量方面的比较仿真图；
图5为在飞行时间的变化下，不同的飞行高度与不同的数据传输要求对收集能量大小的影响的数据仿真图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明涉及一种智能反射表面辅助下的无人机数据与能量传输方法，利用智能反射表面的无源且相移可控的特点，在无人机与地面设备视距链路阻挡时，通过智能反射表面，无人机可以对地面设备进行无线能量传输，接收地面设备的数据。通过联合设计无人机与地面设备的调度，数据与能量传输的时隙分配，无人机的飞行轨迹和智能反射表面的相移矩阵来实现地面设备收集能量的最大化问题；利用数据仿真来验证提出的算法的有效性。具体包括以下内容：
如图1所示，无人机在每一个时隙最多选择一个设备来进行数据与能量传输，用ak[t]来表示无人机与地面设备的调度，ak[t]=1表示第k个地面设备与无人机在第t个时隙进行数据与能量传输；用表示在第t个时隙里，无人机对第k个设备充能的时隙分配比例。
S1、首先，给出系统的模型，无人机利用智能反射表面给地面设备传输信息和能量。
S2、在智能反射表面下，建立无人机与地面设备的上行数据传输模型和下行能量传输模型。
S3、在满足地面设备数据传输的需求下，提出了地面设备收集能量最大化优化问题。
S4、利用块坐标下降和连续凸优化技术，提出了一个能量最大化算法解决该优化问题。
如图2所示，具体为的操作步骤如下：
A1、初始化数据与能量传输的时隙分配变量，无人机的飞行轨迹，智能反射表面的相移矩阵，令迭代次数r=0；
A2、对于给定的Ξr，Qr，Θr，优化问题变为一个只以A为优化变量的线性规划问题，为优化变量的线性规划问题，
，
，
，
，
利用凸优化工具包求解出最优的无人机与地面设备的调度变量Ar+1；
A3、对于给定的Ar+1，Ξr，Θr，优化问题的优化变量只有无人机的轨迹，
，
，
，
利用连续凸优化技术，将上述问题中的非凸部分转换为关于轨迹变量Q的凸函数，具体的转换步骤如下：
A31、定义为第r次迭代时无人机的轨迹，令，其中ρ为参考距离为1m时的路径损耗，N为每个智能反射表面的反射元数目， 表示第个智能反射表面与第k个地面设备的距离，
则可以通过一阶泰勒展开式得到的下界，如下：，
因此，所有地面设备收集的能量可以表示为，这是一个关于飞行轨迹Q的凹函数。同理，定义，将一阶泰勒展开式应用于，可以得到，
，。
A32、因此，利用下界和，可以将求解无人机的轨迹优化问题转换为以下问题，
，
，
，
其中这时，该问题的优化目标函数和约束条件都是关于轨迹q[t]的凸函数，该问题被转换为一个凸问题，可以用标准的凸优化求解器求解，得到优化轨迹Qr+1；
A4、对于每一个时隙，无人机最多只能为一个地面设备提供充能和数据收集的服务。此时，为了使得所有的地面设备收集的能量最大化，通过智能反射表面的N个反射元反射的无线能量信号应该使其具有相同的相位，即；对于每一个反射元，当每个发射信号的相位角设为0时，能够得到最大的收集能量，因此最优的相移可以表示为；将Qr+1代入上述表达式，求得最优的智能反射表面的相移矩阵Θr+1；
A5、对于给定的Ar+1，Qr+1，Θr+1，优化问题变为一个只以Ξr为优化变量的线性规划问题，
，
，
，
利用凸优化工具包求解出最优的数据与能量传输的时隙分配Ξr+1；
A6、用Ar+1，Qr+1，Θr+1，Ξr+1求得当前迭代的最大收集能量Er+1，令，为设定的迭代精度，如果，更新迭代次数r=r+1，返回步骤A2，否则直接结束。
在本发明的仿真过程中，假定无人机在整个飞行周期飞行高度不变，无人机的初始位置和最终位置相同，其初始轨迹经过每个地面设备的上方。路径损耗值设定为ρ=-30dB，噪声功率设定为σ2=-110dBm，无人机的最大速度设定为0.5m/s，本发明对6个地面设备，6个具有100个反射元的智能反射表面进行了仿真，具体过程如下：
如图3所示，为不同飞行时间下，提出的算法与其他基本算法在收集能量的表现比较仿真图。其他基本算法的实现如下：初始轨迹表示无人机的轨迹在整个迭代过程中没有被优化，一直保持初始轨迹不变；固定充电时隙分配是指每一个时隙，无人机给地面设备充电的时间在整个飞行周期保持不变；遗传算法是指无人机与地面设备的调度在迭代中使用遗传算法求解。从图3中，本发明可以看出，本发明所提出的算法在能量收集方面要优于其他算法。随着飞行周期的增加，地面设备所收集的能量也在不断地增加，通过优化无人机的飞行轨迹，对齐反射信号的相位、优化无人机与地面设备的调度以及能量传输的时隙比例，可以收集更多的能量。
图4为不同反射元数量的智能反射表面下，所提出的算法的在收集能量方面的比较仿真图；从图4本发明可以看出收集到的能量随着反射元数量的增加而大幅度提升，这是由于，当所有的反射信号的相位对齐时，智能反射表面会有一个N2的增益，即，同时所提出的算法在能量收集上也是优于其他基本算法。
图5为在飞行时间的变化下，不同的飞行高度与不同的数据传输要求，对收集能量大小的影响的数据仿真图。从图5可以看出，对于相同的飞行高度，数据传输需求越少，收集的能量就越多。此外，当无人机的飞行高度更低时，地面设备可以收集到更多的能量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：小区间车辆调度方法及调度系统