一种无人机辅助机器类通信方法

本发明属于无人机通信领域，具体是一种无人机辅助机器类通信方法。

背景技术：

目前，无线通信网络领域的大部分研究工作主要集中在陆地移动通信系统。由于地面通信基站的位置固定，导致其在需要灵活部署的场景，或临时通信节点搭建的应用场景中受到了严重的制约。传统的蜂窝无线网络在一定程度上确实能够提供稳定可靠的通信质量，但无法满足一些需要快速移动的紧急通信需求。例如，面对森林巡防和临时战场等通信场景，传统的基站蜂窝通信网络由于受到覆盖范围的限制，不能较好地解决因快速移动需求所导致的网络覆盖范围变化的问题。此外地面站布站及运营成本高，也是制约传统基于地面站通信的重要因素。因此，亟需寻求一种快速灵活且成本低廉的无线通信方法来解决无线网络临时搭建或覆盖区域的移动等问题。

在此背景下，无人机通信应运而生。无人机通信由于其机动性较强，可以根据通信服务需求、通信质量和通信效率等指标进行灵活部署，且无人机基站运营成本低，可以作为地面站通信的良好补充。针对城市复杂环境中的高质量通信需求、战场和灾区的应急通信链路搭建，无人机通信将发挥至关重要的作用。通过利用无人机平台来充当移动的临时基站，并辅以现有的网络架构进行无线信息传输，可以实现无线网络覆盖及覆盖区域的快速移动。无人机也可以通过相互协同的方式，形成虚拟的多天线阵列，以进一步提高系统的吞吐量，从而保证应急通信的可靠性。

目前，无人驾驶航空器系统已经在国防和经济建设中发挥越来越重要的作用，且应用需求不断增强。随着无人机产业的蓬勃发展及其应用范围不断扩展，利用无人机快速机动、灵活部署、低运营成本的通信方案成为了目前的研究热点。

技术实现要素：

为实现大规模机器类通信，弥补固定的远端射频装置无法满足按需部署、灵活分配的不足，本发明提出了一种无人机辅助机器类通信方法。

所述的无人机辅助机器类通信方法，具体步骤如下：

步骤一、搭建一个中心基站、n个无人机和m个机器类装置的通信场景；

n<<m；m个机器类装置随机分布，n个无人机根据机器类装置的分布数量和范围，覆盖在所有机器类装置的上方，且n个无人机均与中心基站连接，将收集的所有机器类装置的无线电信号传输给中心基站；

n个无人机和m个机器类装置的天线个数分别为k个。

步骤二、将每个机器类装置分别作为用户，将所有用户的信息通过无线信道同时发送给n个无人机，分别计算每个无人机接收到的信号；

m个机器类装置中激活的个数为q个，q＜＜m；

第n个无人机接收到的信号为：

其中，为第m个用户到第n个无人机的无线信道，n＝1……n；为第m个用户发送的信号，smkt为第m个用户在第t个时刻通过天线k发出的信号；t为激活时间段总长度；如果第m个用户为未激活用户，则第m个用户在该时间段t内的发出信号都为0；即sm＝0，否则，sm≠0；为加性噪声，wnkt为第n个无人机的第k个天线在时刻t的接收信号。

步骤三、每个无人机将接收到的信号分别暂存到存储器中，直至所有无人机全部收集完毕，将所有信号回传给中心基站，计算中心基站接收到的信号y；

中心基站接收到的信号计算公式为：

s为维度为km×t的矩阵；q个激活用户的集合为：{a1,a2,…aq}∈{1,2,…m}；则每个激活用户对应的发出信号均不为0，其余用户的发出信号对应值均为0。

步骤四、中心基站根据接收信号y和预先估计得到的无人机信道矩阵h，通过lf1-lf范数差对发送信号s构建压缩感知模型进行估计；

所述的压缩感知模型如下：

目标函数表示最终要得到的发送信号矩阵s，满足其f-1范数减其f范数取最小值，反应发送信号矩阵s的稀疏性；

约束条件表示接收信号y减去所求发送信号矩阵s与信道矩阵h的乘积，尽可能接近功率为ε的加性高斯白噪声；

其中，是第m个用户发送的信号sm的f范数；||s||f是所有用户发送信号s的f范数；为矩阵的f范数。

步骤五、通过交替方向乘子法对压缩感知模型进行求解，得到用户发送的数据s，实现辅助机器类的通信。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明一种无人机辅助机器类通信方法，利用无人机收集作为机器类通信装置的用户的无线电信号，可以满足通信网络按需部署、灵活分配的需求；

(2)本发明一种无人机辅助机器类通信方法，机器类通信装置可以在有信息传输时激活，无信息传输时处于待机状态，有效减少机器类通信装置的能量损耗，提高机器类通信装置使用时间；

(3)本发明一种无人机辅助机器类通信方法，能够允许多个通信装置同时随机激活，不会因信息传输冲突导致信号检测失败；

(4)本发明一种无人机辅助机器类通信方法，无线通信装置采用随机接入策略，无需握手，进一步降低机器类通信装置的复杂度；

(5)本发明一种无人机辅助机器类通信方法，利用压缩感知算法检测机器类通信装置的无线电信号，计算复杂度低，并且能够准确地检测机器类通信装置所发信息。

附图说明

图1是本发明一种无人机辅助机器类通信方法的流程图；

图2是本发明构建的无人机和辅助机器类通信装置构建的场景图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明一种无人机辅助机器类通信方法，利用无人机收集机器类通信装置的无线电信息，并将收集到的无线电信息回传给中心基站，中心基站通过压缩感知算法检测机器类通信装置的信号，实现按需部署、灵活分配的机器类通信。

所述的无人机辅助机器类通信方法，如图1所示，具体步骤为：

步骤一、搭建一个中心基站、n个装载k天线通信的无人机、m个装载k天线的机器类通信装置，n<<m。

如图2所示，m个装载k天线的机器类通信装置随机分布，n个无人机覆盖于所有机器类通信装置的上空，收集各机器类通信装置的无线电信号；n个无人机同时与中心基站相连。

步骤二、m个机器类通信装置通过无线信道将自己的信息同时发送给n个无人机，分别计算每个无人机接收到的信号；

m个机器类通信装置根据实际需求，只有极少部分在同一时隙同时处于激活状态，假设激活数量为q，q<<m。在同一时隙同时处于激活状态的q个机器类通信装置，通过无线信道同时将自己的信息发送给n个无人机，第n个无人机接收到的信号为：

其中，为第m个用户到第n个无人机的无线信道，n＝1……n；为第m个用户发送的信号，m＝1，……m；smkt为第m个用户在第t个时刻通过天线k发出的信号；t为激活时间段总长度；如果第m个用户为未激活用户，则sm＝0；否则，sm≠0；为加性噪声，wnkt为第n个无人机的第k个天线在时刻t的接收信号。

步骤三、n个无人机将接收到各机器类通信装置的信号分别暂存到存储器中，直至所有无人机全部收集完毕，将所有信号回传给中心基站，计算中心基站接收到的信号y；

中心基站接收到的信号计算公式为：

其中，s为维度为km×t的矩阵；q个激活用户的集合为：{a1,a2,…aq}∈{1,2,…m}；则每个激活用户对应的发出信号均不为0，其余用户的发出信号对应值均为0。

步骤四、中心基站根据接收信号y和预先估计得到的无人机信道矩阵h，通过lf1-lf范数算法对发送信号s构建压缩感知模型进行估计；

中心基站得到各无人机回传的信号后，因为激活用户的个数q远小于用户总个数m，并且无人机信道可以预先通过导频序列估计得到，所以通过lf1-lf范数算法，根据接收信号y和已知信道矩阵h估计出用户的发送信号s；

所述的压缩感知模型如下：

目标函数表示我们想要找到一个发送信号矩阵s，其f-1范数减其f范数取最小值，反应发送信号矩阵s的稀疏性；

约束条件表示接收信号y减去所求发送信号矩阵s与信道矩阵h的乘积尽可能接近功率为ε的加性高斯白噪声。

其中，是第m个用户发送的信号sm的f范数，smkt是第m个用户的第k个天线在第t个时刻发送的元素；||s||f是所有用户发送信号s的f范数；为矩阵的f范数；ε为噪声功率。

步骤五、通过交替方向乘子法(admm)对压缩感知模型进行求解，得到用户发送的数据s，实现辅助机器类装置的通信。