本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)通信，具體涉及一種應(yīng)急場(chǎng)景下的多無(wú)人機(jī)協(xié)同增強(qiáng)通信容量的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在輔助無(wú)線通信受到了廣泛的關(guān)注。無(wú)人機(jī)輔助通信不依賴于固定的地面設(shè)施，基于其自身的多功能、高移動(dòng)、易部署和低成本等優(yōu)勢(shì)，可以被用作空域輔助通信平臺(tái)。

2、然而，無(wú)人機(jī)體積小，無(wú)法承載大規(guī)模天線陣列，因此通信容量受限。此外，無(wú)人機(jī)發(fā)射功率依賴于無(wú)人機(jī)自身攜帶的電池，因此還面臨著機(jī)載能量有限、發(fā)射功率受限等挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種應(yīng)急場(chǎng)景下的多無(wú)人機(jī)協(xié)同增強(qiáng)通信容量的方法及裝置。

2、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種應(yīng)急場(chǎng)景下的多無(wú)人機(jī)協(xié)同增強(qiáng)通信容量的方法，包括：

4、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)系，獲取虛擬非均勻發(fā)射線性陣列與地面接收天線線陣的位置信息；其中，所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列包括多個(gè)無(wú)人機(jī)；所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列和所述地面接收天線線陣之間滿足遠(yuǎn)場(chǎng)視距傳輸條件；所述坐標(biāo)系以所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)；所述坐標(biāo)系的x-y平面平行于大地平面，x軸平行于所述地面接收天線線陣，z軸指向大地平面；

5、根據(jù)所述位置信息，構(gòu)建高階-秩視距mimo信道矩陣；

6、根據(jù)所述高階-秩視距mimo信道矩陣，確定當(dāng)信道容量最大化時(shí)的無(wú)人機(jī)位置和預(yù)編碼矩陣；

7、根據(jù)所述無(wú)人機(jī)位置和所述預(yù)編碼矩陣配置所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列，以使配置后的虛擬非均勻發(fā)射線性陣列與所述地面接收天線線陣所在的設(shè)備通信。

8、可選地，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)系，獲取虛擬非均勻發(fā)射線性陣列與地面接收天線線陣的位置信息，包括：

9、根據(jù)地面接收天線線陣相對(duì)于虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的位置，獲取所述非均勻發(fā)射陣列中的每個(gè)無(wú)人機(jī)的坐標(biāo)(xt,n,yt,n,zt,n)，以及所述地面接收天線線陣中的每個(gè)接收天線的坐標(biāo)(xr,m,yr,m,zr,m)；

10、

11、其中，l為所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的長(zhǎng)度；ηn∈[-1,1]為第n個(gè)無(wú)人機(jī)相對(duì)于所述坐標(biāo)原點(diǎn)的歸一化位置，n＝1,2,…,n；φ為所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列與x軸的夾角，為所述地面接收天線線陣相對(duì)于所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的方位角；θ為所述地面接收天線線陣相對(duì)于所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的俯仰角，d為所述地面接收天線線陣的陣元間距；m＝1,2,…,m，m為所述地面接收天線線陣的接收天線數(shù)量；表示所述地面接收天線線陣；r為所述坐標(biāo)原點(diǎn)與所述地面接收天線線陣的間距。

12、可選地，根據(jù)所述位置信息，構(gòu)建高階-秩視距mimo信道矩陣，包括：

13、根據(jù)所述位置信息，計(jì)算無(wú)人機(jī)與接收天線間的傳輸距離：

14、

15、其中，τm,n表示第m個(gè)接收天線與第n個(gè)無(wú)人機(jī)間的傳輸距離；

16、根據(jù)所述傳輸距離，構(gòu)建高階-秩視距mimo信道矩陣：

17、

18、其中，e為自然底數(shù)，π為圓周率，j為虛部符號(hào)，fc為虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的載波頻率，t表示時(shí)間，c表示電磁波在真空中的傳播速度；h為所述高階-秩視距mimo信道矩陣；

19、pr＝diag(pr,1,pr,2,...,pr,m)；

20、

21、pt＝diag(pt,1,pt,2,...,pt,n)；

22、

23、diag(·)為構(gòu)造對(duì)角矩陣的函數(shù)，表示m×n的復(fù)數(shù)集合。

24、可選地，根據(jù)所述高階-秩mimo信道矩陣，確定當(dāng)信道容量最大化時(shí)的無(wú)人機(jī)位置和預(yù)編碼矩陣，包括：

25、根據(jù)所述高階-秩mimo信道矩陣，構(gòu)建最大信道容量問(wèn)題；其中，所述最大信道容量問(wèn)題以無(wú)人機(jī)位置和預(yù)編碼矩陣為求解參數(shù)，并以最大化信道容量為優(yōu)化目標(biāo)；

26、將所述最大信道容量問(wèn)題分解為最大化信道特征值乘積的第一優(yōu)化子問(wèn)題和最大化最小接收信噪比的第二優(yōu)化子問(wèn)題；

27、求解所述第一優(yōu)化子問(wèn)題，得到無(wú)人機(jī)位置的最優(yōu)解；

28、根據(jù)無(wú)人機(jī)位置的最優(yōu)解求解所述第二優(yōu)化子問(wèn)題，得到預(yù)編碼矩陣的最優(yōu)解。

29、可選地，所述最大信道容量問(wèn)題為：

30、

31、其中，m為所述地面接收天線線陣的接收天線數(shù)量，m＝1,2,…,m；表示所述地面接收天線線陣；n為所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的無(wú)人機(jī)數(shù)量，n＝1,2,…,n；為接收天線所接收信號(hào)的信噪比，w為預(yù)編碼向量，用于調(diào)節(jié)所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的發(fā)射信號(hào)的幅度和相位；hm為所述地面接收天線線陣的第m個(gè)接收天線的信道向量，σ2表示噪聲方差；λm為增益矩陣g＝hhh的第m個(gè)特征值；定義w＝wwh為所述預(yù)編碼矩陣，上標(biāo)h表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置；上標(biāo)t表示矩陣轉(zhuǎn)置；η＝η1,η2,…,ηn，ηn∈[-1,1]為第n個(gè)無(wú)人機(jī)相對(duì)于所述坐標(biāo)原點(diǎn)的歸一化位置；c為信道容量。

32、可選地，所述第一優(yōu)化子問(wèn)題為：

33、所述第二優(yōu)化子問(wèn)題為：

34、其中，pn表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)的發(fā)射功率限制；[wwh]n,n表示取矩陣wwh的第n行、第n列的元素。

35、可選地，求解所述第一優(yōu)化子問(wèn)題，包括：將所述第一優(yōu)化子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可求解的第一優(yōu)化子問(wèn)題并進(jìn)行求解；

36、所述可求解的第一優(yōu)化子問(wèn)題為：

37、其中，ηk表示第k個(gè)無(wú)人機(jī)相對(duì)于所述坐標(biāo)原點(diǎn)的歸一化位置，k＝2,3,…,m，ηl表示第l個(gè)無(wú)人機(jī)相對(duì)于所述坐標(biāo)原點(diǎn)的歸一化位置。

38、可選地，根據(jù)無(wú)人機(jī)位置的最優(yōu)解求解所述第二優(yōu)化子問(wèn)題，得到預(yù)編碼矩陣的最優(yōu)解，包括：

39、將所述第二優(yōu)化子問(wèn)題轉(zhuǎn)化為可求解的第二優(yōu)化子問(wèn)題；

40、根據(jù)無(wú)人機(jī)位置的最優(yōu)解求解所述可求解的第二優(yōu)化子問(wèn)題；

41、其中，所述可求解的第二優(yōu)化子問(wèn)題為：

42、

43、其中，q和sm均為引入的輔助變量，vec(·)是將矩陣重新排列為向量的函數(shù)，hm根據(jù)無(wú)人機(jī)位置的最優(yōu)解確定，

44、可選地，所述方法應(yīng)用于多無(wú)人機(jī)的控制端。

45、本發(fā)明還提供了一種應(yīng)急場(chǎng)景下的多無(wú)人機(jī)協(xié)同增強(qiáng)通信容量的裝置，包括：

46、獲取模塊，用于根據(jù)預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)系，獲取虛擬非均勻發(fā)射線性陣列與地面接收天線線陣的位置信息；其中，所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列包括多個(gè)無(wú)人機(jī)；所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列和所述地面接收天線線陣之間滿足遠(yuǎn)場(chǎng)視距傳輸條件；所述坐標(biāo)系以所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)；所述坐標(biāo)系的x-y平面平行于大地平面，x軸平行于所述地面接收天線線陣，z軸指向大地平面；

47、構(gòu)建模塊，用于根據(jù)所述位置信息，構(gòu)建高階-秩視距mimo信道矩陣；

48、確定模塊，用于根據(jù)所述高階-秩視距mimo信道矩陣，確定當(dāng)信道容量最大化時(shí)的無(wú)人機(jī)位置和預(yù)編碼矩陣；

49、配置模塊，用于根據(jù)所述無(wú)人機(jī)位置和所述預(yù)編碼矩陣配置所述虛擬非均勻發(fā)射線性陣列，以使配置后的虛擬非均勻發(fā)射線性陣列與所述地面接收天線線陣所在的設(shè)備通信。

50、本發(fā)明提供的應(yīng)急場(chǎng)景下的多無(wú)人機(jī)協(xié)同增強(qiáng)通信容量的方法具有如下有益效果：

51、本發(fā)明通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)位置和預(yù)編碼矩陣，利用虛擬非均勻發(fā)射線性陣列與地面接收天線線陣所在的設(shè)備通信，利用獨(dú)立同分布子信道提高信道增益，將信道容量最大化，克服了單無(wú)人機(jī)體積和機(jī)載能量有限，無(wú)法承載大規(guī)模天線陣和滿足大功率發(fā)射信號(hào)的缺陷。由此，基于多無(wú)人機(jī)協(xié)同構(gòu)成虛擬非均勻發(fā)射線性陣列協(xié)同合作發(fā)射信號(hào)，能夠在應(yīng)急復(fù)雜場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)大容量可靠通信，提高通導(dǎo)的效率和互聯(lián)互通性。

52、以下將結(jié)合附圖及對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。