本发明属于无线通信，尤其涉及一种定常风扰下的固定翼无人机辅助的全双工放大转发中继通信方法。
背景技术：
1、近年来，无人机协作通信技术成为了无线通信领域研究的热点。相比于传统的地面通信，无人机协作通信易于实现按需分配，从而具有更高的通信效率；无人机具有高度的移动性，因而部署起来更加灵活快捷；无人机与地面终端的信道链路多为视距链路，能提供更好的信道环境。因此，无人机将在未来的无线通信领域发挥极为重要的作用，其应用主要包括：(1)作为临时基站；(2)作为移动中继；(3)用于物联网。
2、目前，大量文献研究了无人机作为移动中继时的中继通信系统容量、频谱效率优化问题。实际上，无人机具有有限的机载能量，能效问题被认为是无人机通信的关键问题之一。当前，针对无人机中继通信，大部分研究考虑的是解码转发中继通信形式，对于无人机采用放大转发中继的研究较少，特别是固定翼无人机辅助下的全双工放大转发中继通信，鲜有研究。另一方面，自然环境中的风，作为一股不可忽视的自然力量，对无人机的空速、地速以及能耗可能产生影响，但目前针对无人机辅助通信的研究大多数仍以无风条件为基础展开。在实际风扰环境中，无人机在执行飞行任务时不仅要抗衡气流带来的额外阻力，还需要进行飞行姿态的调整以抵抗风速和风向对飞行的影响，从而能够按照既定的地面轨迹从始发点飞行到终点。鉴于此，探究风扰环境下的无人机飞行姿态和参数的调整，以及设计合理的通信资源调配方案，对于提升无人机中继通信的性能具有重要的实际意义。
技术实现思路
1、为解决现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种定常风扰下的固定翼无人机辅助的全双工放大转发中继通信方法，通过对固定翼无人机中继的飞行姿态、飞行空速和时间进行调整，在按照既定的地面轨迹进行飞行和符合飞行空速限制的前提下，为地面用户提供所需的数据转发服务，并且降低无人机的能耗。
2、本发明是这样实现的，一种定常风扰下的无人机辅助的全双工放大转发中继通信方法，该方法包括以下步骤：
3、s1、当风速vw沿x轴方向的分量vwx≥0时，对无人机作为中继从源节点上空沿着水平直线朝着目的节点方向顺风飞行情况下，求解完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题并得到最优解在vwx＜0时，则跳转到步骤s7；
4、s2、对无人机作为中继从源节点上空沿着水平直线朝着目的节点方向逆风飞行情况下，求解完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题并得到最优解
5、s3、若则无人机作为中继在给定时间内从源节点上空沿着水平直线朝着目的节点方向飞行情况下，完成地面源和目的节点所需数据传输服务的能量最小化问题的最优解为u*＝t*＝nan，跳转到步骤s9；
6、s4、若步骤s3中能量最小化的最优解为跳转到步骤s9；
7、s5、若步骤s3中能量最小化的最优解为跳转到步骤s9；
8、s6、若步骤s3中能量最小化的最优解为若步骤s3中能量最小化的最优解为跳转到步骤s9；
9、s7、对无人机作为中继从源节点上空沿着水平直线朝着目的节点方向逆风飞行情况下，求解完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题，并得到最优解
10、s8、若步骤s3中能量最小化的最优解为u*＝t*＝nan；否则，步骤s3中能量最小化的最优解为
11、s9、结束。
12、优选地，在步骤s1中，完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题用公式表示为：
13、
14、s.t.umin≤u≤umax(9b)
15、
16、其中，和分别表示无人机的空速u和完成数据转发任务的时间t的最优解，en(u)表示无人机以空速u飞行时的功耗，umin和umax分别为无人机的最小和最大空速限，vwx、vwy和vwz分别为风速vw在x、y和z轴的分量，q是地面源节点n1需要发送给地面目的节点n2的数据量，qlb是地面目的节点n2在单位时间内能够接收的数据量的下限，l12是地面源节点n1与地面目的节点n2之间的距离；
17、在本发明中，问题(9a)～(9e)的求解包括以下步骤：
18、(1)当vwx≥0和成立，此时，约束条件式(9b)和式(9c)无法同时成立，因此，问题(9)不可行，即，解为nan；
19、(2)当vwx≥0和成立，此时，约束条件式(9b)和式(9c)可以合并为首先，忽略约束条件式(9d)和式(9e)，这样可以通过引理2获得其解，具体可以表示为接着，将t＝q/qlb代入式(9e)并将式(9e)中的u用uo代替，此时，若式(9e)能够成立，则问题(9)的最优解为否则，将不等式约束式(9e)，改成等式约束，并将看作是u的方程，解得u的解，记为u11，具体可写为下面，利用引理2可得问题(9)的解，具体可表示为
20、(3)当vwx≥0和成立，此时，约束条件式(9b)和式(9c)可以合并为umin≤u≤umax；首先，利用引理2可得解uo＝op(umin,umax)，接着，将t＝q/qlb代入式(9e)并将式(9e)中的u用uo代替，此时，式(9e)成立，则问题(9)的最优解为否则，需要分下面的两种情况来计算最优解：
21、1)若成立，利用引理2可得问题(9)的最优解
22、2)若不成立，问题(9)不可行，即，解为nan。
23、优选地，在步骤s2中，完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题用公式表示为：
24、
25、s.t.umin≤u≤umax(10b)
26、
27、
28、其中，和分别表示无人机的空速u和完成数据转发任务的时间t的最优解，en(u)表示无人机以空速u飞行时的功耗，umin和umax分别为无人机的最小和最大空速限，vw为风速，vwx、vwy和vwz分别为风速vw在x、y和z轴的分量，q是地面源节点n1需要发送给地面目的节点n2的数据量，qlb是地面目的节点n2在单位时间内能够接收的数据量的下限，l12是地面源节点n1与地面目的节点n2之间的距离；
29、其中，问题(10a)～(10e)的求解包括以下步骤：
30、(1)当vwx≥0和成立，此时，约束条件式(10b)和式(10c)不能同时成立，因此，问题(10)不可行，即，解为nan；
31、(2)当vwx≥0、和umax＜vw成立，此时，约束条件式(10b)和式(10c)可以合并为首先，忽略约束条件式(10d)和式(10e)，并利用引理2获得解接着，将t＝q/qlb代入式(10e)，并将式(10e)中的u用uo代替，此时，若式(10e)成立，则问题(10)的最优解为否则，需要分下面的两种情况来计算最优解：
32、1)若成立，则问题(10)的最优解为
33、2)若不成立，则问题(10)不可行，即，解为nan；
34、(3)当vwx≥0、和umax≥vw成立，此时，约束条件式(10b)和式(10c)可以合并为首先，忽略约束条件式(10d)和式(10e)，并利用引理2获得解接着，将t＝q/qlb代入式(10e)，并将式(10e)中的u用uo代替，此时，若式(10e)成立，则问题(10)的最优解为否则，需要分下面的两种情况来计算最优解：
35、1)若成立，则问题(10)的最优解为
36、2)若不成立，问题(10)不可行，即，解为nan；
37、(4)当vwx≥0、和umax≤vw成立，此时，约束条件式(10b)和式(10c)可以合并为umin≤u≤umax；首先，忽略约束条件式(10d)和式(10e)，并利用引理2获得解uo＝op(umin,umax)，接着，将t＝q/qlb代入式(10e)，并将式(10e)中的u用uo代替，此时，若式(10e)成立，则问题(10)的最优解为否则，需要分下面的两种情况来计算最优解：
38、1)若成立，则问题的最优解为
39、2)若不成立，则问题(10)不可行，即，解为nan；
40、(5)当vwx≥0、和umin≤vw≤umax成立，此时，约束条件式(10b)和式(10c)可以合并为umin≤u≤vw；首先，忽略约束条件式(10d)和式(10e)，并利用引理2获得解uo＝op(umin,vw)，接着，将t＝q/qlb代入式(10e)，并将式(10e)中的u用uo代替，此时，若式(10e)成立，则问题(10)的最优解为否则，需要分下面的两种情况来计算最优解：
41、1)若成立，则问题(10)的最优解为
42、2)若不成立，则问题(10)不可行，即，解为nan；
43、(6)当vwx≥0和umin＞vw成立，此时，约束条件式(10b)和式(10c)无法同时满足，因此，问题(10)不可行，即，解为nan。
44、优选地，在步骤s7中，完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题用公式表示为：
45、
46、s.t.umin≤u≤umax(11b)
47、u≥vw(11c)
48、
49、其中，和分别表示无人机的空速u和完成数据转发任务的时间t的最优解，en(u)表示无人机以空速u飞行时的功耗，umin和umax分别为无人机的最小和最大空速限，vw为风速，vwx、vwy和vwz分别为风速vw在x、y和z轴的分量，q是地面源节点n1需要发送给地面目的节点n2的数据量，qlb是地面目的节点n2在单位时间内能够接收的数据量的下限，l12是地面源节点n1与地面目的节点n2之间的距离；
50、其中，所述问题(11a)～(11e)的求解包括以下步骤：
51、(1)当vwx＜0和umax＜vw成立，此时，约束条件式(11b)和式(11c)无法同时满足，此时问题(11)不可行，即，解为nan；
52、(2)当vwx＜0和umin＜vw≤umax成立，此时，约束条件式(11b)和式(11c)可以合并为vw≤u≤umax；首先，忽略约束条件式(11d)和式(11e)，并利用引理2获得解uo＝op(vw,umax)，接着，将t＝q/qlb代入式(11e)，并将式(11e)中的u用uo代替，此时，若式(11e)成立，则问题(11)的最优解为否则，需要分下面的两种情况来计算最优解：
53、1)若成立，问题(11)的最优解为
54、2)若不成立，则问题(11)不可行，即，解为nan；
55、(3)当vwx＜0和umin≥vw成立，此时，约束条件式(11b)和式(11c)可以合并为umin≤u≤umax；首先，忽略约束条件式(11d)和式(11e)，并利用引理2获得解uo＝op(umin,umax)，接着，将t＝q/qlb代入式(11e)，并将式(11e)中的u用uo代替，此时，若式(11e)成立，则问题(11)的最优解为否则，需要分下面的两种情况来计算最优解：
56、1)若成立，则问题(11)的最优解为
57、2)若不成立，问题(11)不可行，即，解为nan。
58、相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明针对固定翼无人机辅助下的全双工放大转发中继通信系统，根据无人机的地面轨迹要求，以及根据无人机的最大最小空速限制，对无人机的飞行空速、飞行时间和飞行姿态进行优化调整，在按照既定的地面轨迹进行飞行和符合飞行空速限制的前提下，为地面用户提供所需的数据转发服务，并且降低无人机的能耗，仿真实验也表明，本发明能够达达到既定的设计目标。
1.一种定常风扰下的无人机辅助的全双工放大转发中继通信方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s1中，完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题用公式表示为：
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s2中，完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题用公式表示为：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s7中，完成地面源和目的节点之间数据传输任务时的能量最小化问题用公式表示为：
