一种基于虚拟阵列天线协作波束成形的无人机中继通信方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113890588A(43)申请公布日2022.01.04(21)申请号202111147066.X(22)申请日2021.09.29(71)申请人吉林大学地址130000吉林省长春市前进大街2699号(72)发明人李家辉孙庚郑晓雅刘衍珩梁爽王爱民(74)专利代理机构北京远大卓悦知识产权代理有限公司11369代理人王雪娇(51)Int.Cl.H04B7/185(2006.01)H04B7/06(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称一种基于虚拟阵列天线协作波束成形的无人机中继通信方法(57)摘要本发明公开了一种基于虚拟阵列天线协作波束成形的无人机中继通信方法，包括：一、确定组成无人机天线阵列的无人机节点的数量；二、根据无人机节点的位置和需要通信的远程基站的位置确定方位角和仰角；三、建立无人机天线阵列到接收基站的传输速率的计算模型、无人机天线阵列的最大旁瓣电平的计算模型和无人机能源消耗的计算模型；并且以无人机天线阵列到接收基站的传输速率最大、无人机天线阵列的最大旁瓣电平最小和无人机能源消耗最小为优化目标，确定无人机节点的最佳位置、与无人机天线阵列的通信的最佳基站以及最佳的激励电流权重；步骤四、无人机节点移动到最佳位置后，组成虚拟天线阵列并利用协作波束成形向最佳基站传输数据。CN113890588ACN113890588A权利要求书1/2页1.一种基于虚拟阵列天线协作波束成形的无人机中继通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、确定组成无人机天线阵列的无人机节点的数量；步骤二、根据所述无人机节点的位置和需要通信的远程基站的位置确定主瓣的方位角和仰角；步骤三、建立无人机天线阵列到接收基站的保密传输速率的计算模型、无人机天线阵列的最大旁瓣电平的计算模型和无人机能源消耗的计算模型；并且以无人机天线阵列到接收基站的传输速率最大、无人机天线阵列的最大旁瓣电平最小和无人机能源消耗最小为优化目标，确定所述无人机节点的最佳位置、与所述无人机天线阵列的通信的最佳基站以及最佳的激励电流权重；步骤四、无人机节点移动到最佳位置后，发射基站向所述无人机节点传输控制信息，所述无人机节点发出响应消息；发射基站成功收到所有无人机节点的响应消息后，所述无人机节点组成虚拟天线阵列并利用协作波束成形向所述最佳基站传输数据。2.根据权利要求1所述的基于虚拟阵列天线协作波束成形的无人机中继通信方法，其特征在于，所述无人机天线阵列到接收基站的保密传输速率的计算模型为：其中，式中，R[BS]表示无人机阵列到远程基站的传输速率，表示无人机阵列到已知窃听者i的传输速率；GU指代地面用户，GU＝BS，KE1，KE2，……，KENKE；B表示传输带宽，Pt表示无人机天线阵列的总发射功率，K0表示恒径损耗系数，d[GU]表示无人机天线阵列原点和地面用2户之间的距离，α表示路径损耗指数，σ表示噪音功率；G[GU]为天线阵列增益；(θ[GU]，φ[GU])代表地面用户的方向，ω(θ，φ)表示各无人机节点远场波束方向图的大小，η∈[0，1]表示天线阵列效率；F为阵列因子，Nm为无人机的数量，Im表示无人机天线阵列中第m台无人机的激励电流权重，λ表示波长，k＝2π/λ表示相位常数，θ和φ分别表示仰角和方位角，表示无人机节点的位置。3.根据权利要求2所述的基于虚拟阵列天线协作波束成形的无人机中继通信方法，其特征在于，所述无人机天线阵列的最大旁瓣电平的计算模型为：式中，(θSL，φSL)分别表示旁瓣的方位角和仰角，(θML，φML)分别表示主瓣的方位角和仰角；F(θSL，φSL)表示旁瓣电平，F(θML，φML)表示主瓣电平。4.根据权利要求2或3所述的基于虚拟阵列天线协作波束成形的无人机中继通信方法，其特征在于，所述无人机能源消耗的计算模型为：2CN113890588A权利要求书2/2页其中，式中，Tperf表示无人机群形成无人机天线阵列的时间，表示第m台无人机的能量消耗；v(t)表示无人机在时刻t的速度，T表示飞行的结束时间，mD表示无人机的重量，g表示重力加速度；P(v)表示无人机在二维水平空间飞行时的推进能源消耗，PB和PI分别表示悬停状态下的叶片轮廓和诱导功率，v表示无人机的速度，vtip表示旋翼叶片的叶尖速度，v0表示在悬停状态下的平均旋翼叶片诱导速度，d0和s分别表示机身阻力比和旋翼叶片坚硬度，ρ和A分别表示空气密度和旋翼圆盘面积。5.根据权利要求4所述的基于虚拟阵列天线协作波束成形的无人机中继通信方法，其特征在于，在所述步骤一中，通过如下公式计算得到无人机节点数量的最小值为：其中，Nm＞Nm‑min；式中，Nm表示无人机节点的数量，PT表示发送基站到远程基站发送一条数据需要的总