本技术涉及无人机通信技术领域,具体公开了一种多天线无人机通信能耗最小化方法及系统,首先构建基于多天线旋翼无人机的空中视频监控系统,允许多天线UAV(无人机)同时为多个GU(地面用户)提供服务,然后通过联合优化UAV的飞行轨迹、飞行时间和发射波束成形,在满足用户QoS要求的前提下,以最小化UAV的总能耗为优化目标构建优化问题,进一步对该优化问题进行求解。为了求解该优化问题,首先采用路径离散化方法结合黄金分割搜索法以确定UAV的飞行时间和飞行轨迹,从而最小化UAV的推进能耗,然后最小化UAV的通信能耗。仿真结果显示,该方法及系统在能耗方面显著优于现有基准方案,展现出较高的效率和实用性。
背景技术
无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)因其高机动性和灵活部署能力,常被用作空中基站,以便与地面用户(Ground User,GU)建立高质量的无线连接。与传统地面网络相比,UAV能够提供更优质的通信链路质量,并根据用户请求提供按需及时服务。UAV应用范围广泛,包括天然气管道检查、应急救援行动、火灾监控等,这些场景要求UAV与GU组成高效的视频传输网络。此外,在城市安全检查中,UAV必须能够在狭窄的空间内精确飞行和悬停,为火灾、交通事故或公共安全事件等紧急情况提供实时视频监控服务。相比于固定翼UAV,旋翼UAV因其卓越的机动性和灵活性更受青睐,能够在有限的空间内进行精确操作和稳定飞行,这使得它们特别适合需要快速响应和高质量视频捕获的任务。
近年来,UAV视频传输领域取得了显著进展,引入了多种创新方法。例如,有研究提出了一种基于强化学习(Reinforcement Learning,RL)的UAV抗干扰视频传输方案,该方案无需依赖视频服务模型,即可保证视频的体验质量(Quality of Experience,QoE),同时有效降低能耗。另一项研究则提出了一种QoE驱动、UAV支持的伪模拟无线视频传输方案,旨在通过联合优化发射功率分配策略和UAV轨迹,最大化GU视频重构质量的峰值信噪比的最小值。此外,还有研究提出了一种UAV辅助通信方案,提高了边缘用户的通信服务质量(Quality of Service,QoS)。这些创新方法为UAV视频流的应用提供了新的思路和技术支持。
然而,现有的研究主要集中在单天线UAV上,这种配置使得UAV同一时间只能与一个GU通信,限制了它们同时与多个GU通信的能力。这一限制导致系统吞吐量降低,并增加了视频传输的延迟。
另一方面,UAV机载电池的容量受到其尺寸和负载能力的限制,制约了UAV飞行的可持续性。尤其是旋翼UAV,其电池寿命通常较短,在进行视频传输时,电池消耗会迅速增加,从而限制了飞行时间和飞行距离,对长时间的监控任务产生不利影响。因此,在确保视频流服务质量的同时,降低UAV的总能耗成为一个关键挑战。
一些研究已经探讨了UAV在能源消耗方面的多种问题。然而,这些研究并未考虑具有QoS要求的视频流应用。QoS有效地反映了视频流的独特特性,是衡量视频传输性能的重要指标。在满足用户服务质量要求的同时,如何最小化UAV的总能耗仍然是一个具有挑战性的问题。
实现思路