基于计算与通信联合的无人机数据下载时间优化方法

本发明涉及基于计算与通信联合的无人机数据下载时间优化方法，属于移动通信。

背景技术：

1、无人机作为一种新型的移动平台，涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术，是信息时代高技术含量的产物。随着无人机研发技术逐渐成熟，功能集成日益完善，制造成本大幅降低，无人机在各个领域得到了广泛应用。

2、传统固定通信基础设施建设成本高，位置固定，在面对地势险峻地区的通信部署、突发灾害时的通信设施破坏以及临时通信环境搭建的特殊需求时往往难以应对。与传统的陆地通信系统相比，无人机辅助通信系统灵活性高、易于部署、成本低，尤其是在通信基础设施薄弱或受灾区域中，基于无人机辅助的应急响应包括：抵近灾区信息采集，航行机载数据处理，抵达通信区数据传输三个工作阶段，实现灾情信息的迅速获取与传递，对于提高紧急场景的应急响应能力和实施有效的应急决策提供重要的支持。

3、无人机辅助通信系统存在巨大潜力，但包括灾害救援、工业灾难以及军事监视在内的紧急任务对无人机的任务完成时间有严格的要求；为提高任务执行时间效率，大多针对于信息采集和飞行阶段进行优化；利用无人机机载数据处理能力，对采集到的数据进行机载检测、压缩处理后，有效降低传输数据量，减少数据下载阶段时间，实现应急任务执行效率的提升。

4、由于采集和飞行阶段时间会受到感知设备性能和任务路径的客观条件限制，因此有必要对数据下载阶段的时间进行优化，但数据的计算与传输会共同消耗无人机有限的能量；如何在能量约束下联合考虑数据的计算与传输以降低无人机数据下载时间，从而提高任务执行时间效率，是无人机辅助通信系统亟需解决的一个问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于计算与通信联合的无人机数据下载时间优化方法，在能量约束限制下，通过机载数据计算与传输联合优化策略，降低无人机数据下载阶段的时间，实现任务执行时间效率的提升。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明的基于计算与通信联合的无人机数据下载时间优化方法，包括以下步骤：

4、步骤一、建立包含采集灾区信息、机载数据处理以及抵达通信区域传输数据三个阶段的无人机辅助应急响应模型，具体包括以下子步骤：

5、步骤1.1建立无人机采集灾区信息模型；

6、无人机抵至灾害区域，为n个任务采集数据，每个任务的数据能够独立处理，对于为第i个任务采集的数据为datai＝(dai,dbi,ci)；

7、其中，dai为第i个任务的原始数据大小，dbi为第i个任务处理后的数据大小，ci为处理第i个任务所需要的cpu周期；

8、步骤1.2建立无人机机载数据处理模型；

9、无人机完成数据采集之后的返程阶段，利用无人机的计算能力对采集数据进行机载处理；

10、xi∈{0,1}为第i个任务的处理指示变量，当第i个任务已进行机载处理，xi＝1，当第i个任务未进行机载处理，xi＝0；

11、对于无人机携带的n个任务，原始数据大小的集合da＝[da1,…,dan]t，机载处理后数据大小的集合db＝[db1,…,dbn]t，处理每个任务所需的cpu周期的集合c＝[c1,…,cn]t，每个任务处理情况的集合x＝[x1,…,xn]t；

12、步骤1.3、建立无人机与地面通信区域的数据传输模型；

13、无人机抵达通信区域后，与地面基站进行数据传输，将采集到的信息进行反馈；

14、无人机与地面基站的通信速率r＝blog2(1+αpw)；

15、其中，b为信道带宽，α为噪声因子，pw为传输功率；

16、无人机与地面基站需要传输的数据量d＝||da||1+(db-da)tx；

17、其中|| ||1为1-范数，||da||1为未经机载处理的原始总数据大小；

18、无人机与地面基站进行数据传输时间t如式(1)所示：

19、

20、步骤二、建立无人机辅助应急响应网络能量约束；

21、无人机的cpu通过动态电压和频率缩放技术调整频率，无人机计算功耗ec和下载功耗et分别如式(2)、式(3)所示：

22、

23、et＝tμpw                            (3)

24、其中，为功耗系数，fc为计算频率，μ为功率放大器效率系数；

25、无人机上唯一的能量来源是储存在电池中的初始能量，无人机辅助应急响应网络能量约束如式(4)所示：

26、ec+et≤e                                 (4)

27、其中，e为n个任务的计算和通信分配的能量；

28、步骤三、数据机载计算与传输联合优化，最小化无人机数据下载时间；

29、下行链路容量和数据大小共同决定数据下载时间，通过调整计算频率fc、传输功率pw以及计算策略x，实现数据下载时间最小化；

30、无人机辅助应急响应网络数据下载时间优化目标如式(5)所示：

31、

32、无人机辅助应急响应网络数据下载时间优化条件包括：无人机能量约束，如式(4)所示；机载计算应在无人机抵达通信区域之前完成，ctx≤tafc，ta为无人机从灾区到通信区域飞行所需时间，由无人机的飞行速度和从目标区域到通信区域的距离决定；计算频率fc不超过其最大值，0≤fc≤fmax，传输功率pw不超过其最大值，0≤pw≤pmax；

33、通过调整计算频率、传输功率和计算策略，在现实的能量约束下联合优化机载计算和通信，使无人机数据传输的下载时间最小化；

34、还包括步骤四：根据步骤三优化实现的无人机数据传输的下载时间最小化，能够应用于无人机辅助的应急通信场景中，在灾难或紧急情况下，提供紧急通信连接，通过图像、视频或其他形式的数据传输，迅速传达救援信息，为救援指挥中心提供实时视觉和通信数据，实现灾情信息的迅速获取与传递，任务成功率高，传输时延小，效率高，对于提高紧急场景的应急响应能力和实施有效的应急决策提供重要的支持。

35、有益效果：

36、1、本发明的基于计算与通信联合的无人机数据下载时间优化方法，综合计算频率、传输功率以及计算策略，联合优化数据机载计算与数据传输策略，以降低无人机数据下载阶段的时间，实现任务执行时间效率的提升。

37、2、本发明的基于计算与通信联合的无人机数据下载时间优化方法，基于无人机现实能量约束限制，通过合理分配无人机数据处理和数据传输能量，实现无人机有限能量的最大化利用，实现任务执行效率提升的同时，保证高质量的任务完成率。

38、3、本发明的基于计算与通信联合的无人机数据下载时间优化方法，有效利用无人机无数据传输阶段进行机载数据处理，在保证数据下载质量的情况下，将数据处理合理分配于无人机航行阶段，以降低传输阶段数据下载量，更适用于应急场景的高时效通信需求。