无人机空对地通信中的联合轨迹优化和功率控制

发布时间：2021-09-05 07:58

　　研究部署无人机与固定地面终端（GT）通信,无人机需要完成特定的任务,即从地面终端收集预定数量的数据。文中研究了一种圆形轨迹的无人机信息采集系统,联合考虑系统的能耗和任务完成时间。由于地面终端的通信能量消耗与无人机的飞行推进能量消耗之间存在博弈关系,需要设计合适的基于能量考量和任务需求的飞行策略。通过联合二分法和循环迭代的方法,分别得到了系统的能量消耗最小和地面终端的能耗最小两种飞行方案。此外,对应的最佳飞行半径和最佳瞬时传输功率也一并给出。最后,给出了数值结果以验证所提方案的性能,仿真结果表明,当传输功率和飞行半径取得最佳值时,无人机与地面终端系统将实现最佳性能和最小完成时间,同时系统的总能耗和GT的传输功耗也最小。 

【文章来源】：现代电子技术. 2020,43(17)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

无人机空对地圆形轨迹无线通信系统

图2展示了采用二分法传输的总能量消耗与吞吐量的关系。可以看出，系统的总能量消耗随着GT中的吞吐量增加而增加。此外，图2标记了通过使用二分法计算出的节点的总传输能耗，在Q=600 Mb时，地面节点的总能耗是P1=167.97 W。图3a）展示了地面节点不同传输功率时无人机的飞行半径与飞行总能量消耗的关系。在这种情况下，每个时隙的传输功率是恒定的，而总能量消耗随半径变化，对比了4种不同的传输功率。随着地面用户传输功率的增加，无人机总能量消耗减少。例如，通过将瞬时传输功率从0.15 W增加到0.45 W，系统的最小能耗将显著降低约50%。然而，考虑到无人机有最小总能量消耗限制，随着地面传输功率的增加，无人机的飞行半径也随之增加。采用迭代方法求解出无人机最小能量消耗对应的地面传输功率。此外，对于给定的固定传输功率，系统的总能耗首先随飞行半径的增加而减小，然后系统的总能耗达到最小能耗点，最后随着飞行半径的增加而增加。此外，标记了每种情况下最小总能耗点。图3b）展示了不同传输功率下的飞行半径与任务完成时间的曲线图。直观地看，随着传输功率的增加，完成时间减少。但是，随着飞行半径的增加，完成时间增加。因此，需要找到最佳飞行半径和传输功率以优化任务完成时间。如果飞行半径较小，可以减少地面节点在传输上行链路数据所需能量，但导致UAV消耗更多推进能量。然而，无人机的机载能量是有限的，需要适当设计以节省机载能量。此外，传输能量消耗的减少通常以无人机的较高推进能量消耗为代价。

图4显示了飞行半径与地面终端吞吐量的关系。通过多次迭代得到无人机的最优飞行半径。可以看出，当系统吞吐量为600 Mb时，最优传输功率为0.44 W，最优飞行半径为79.37 m。当传输功率和飞行半径取最佳值，GT-UAV系统将实现在保证系统总能耗的前提下，系统所需的实际时间最小。图4 吞吐量与飞行半径的关系

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于智能算法的无人机航迹规划[J]. 岳秀,张伟.  电子科技. 2019(02)
[2]无人机航迹规划与监控系统设计[J]. 郭杰,王晓银,滑亚慧.  计算机测量与控制. 2018(09)



本文编号：3384965