面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置

1.一种面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，包括：部署问题设置单元，用于在给定区域预部署胶囊机场以及无人机以覆盖给定区域来提供无线通信服务，将对胶囊机场和无人机的最大覆盖部署设置成一个问题空间V：在给定区域W具有位置已知的用户i，i∈I，i表示用户的位置，I表示用户位置的集合；给定区域W内，已知具有地势较高且处在地面平整区域的q个侯选位置，q个侯选位置用于放置m个胶囊机场，且m＜q；每个胶囊机场装有n个无人机；j∈J和 分别表示胶囊机场侯选位置集合和胶囊机场位置集合，|J|＝q且|J|＝m；从q个侯选位置中确定m个胶囊机场的位置，确定每个胶囊机场所在区域内的用户集；第一模型建立单元，用于在该给定区域W，已知用户i∈I的位置，针对从q个侯选位置中确定的m个胶囊机场的位置、每个胶囊机场装有的n个无人机，通过无人机与用户的空对地信道模型，求解得出无人机的最佳固定高度H、以及无人机的最大覆盖半径R；第二模型建立单元，用于令所有无人机部署在最佳固定高度H，通过空空信道传播的特性建立无人机k和无人机k'之间的路径损耗函数，并确定无人机间的最大通信半径R 1 ；以及为能够保证无人机间的网络连通性，则且保证d kk' ≤R 1 ；其中，无人机k'处于无人机k返回到装载该无人机胶囊机场的回路上；求解单元，用于通过对用户聚类，将聚类中心确定为每个区域无人机的平面位置初始解的候选解；令所有无人机部署在最佳固定高度H，结合无人机间的最大通信半径R 1 、无人机的最大覆盖半径R，在二维平面确定每个无人机的最优平面位置；令每个无人机部署在最优平面位置，保证每个无人机所能提供的网络服务容量最大的情况下、覆盖用户最多，然后对无人机的高度进行优化得到能耗更优高度，达到降低功率损耗的效果；通信部署单元，用于在确定好m个胶囊机场的位置、每个胶囊机场的n个无人机各自的以更低功率实现最大覆盖的最优三维位置之后，当将所有胶囊机场盛装的所有无人机部署在最优三维位置处，通过各无人机所搭载的信号基站构建临时区域无线覆盖网络，为地面给定区域内的用户提供无线通信服务，其中，每个无人机的最优三维位置通过能耗更优高度、二维平面的最优平面位置构成。 2.根据权利要求1所述的面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，所述部署问题设置单元，包括：通过shaking从胶囊机场的q个侯选位置中随机确定|J|个胶囊机场位置；再令k＝|J|，对所有用户实施k-means聚类，将所有用户划分为|J|个区域；计算随机确定位置的每个胶囊机场与聚类中心的距离，将随机确定位置的每个胶囊机场匹配到最近聚类中心所在的区域，从而从q个侯选位置中确定出m个胶囊机场各自的最终位置及所在区域内的用户集。 3.根据权利要求1所述的面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，所述第一模型建立单元，具体用于：无人机与用户的连接通过空对地信道传播，针对无人机与用户连接的空对地信道建立空对地信道模型，所述空对地信道模型是指无人机k到用户i的路径损耗函数，对所述无人机k到用户i的路径损耗由一定概率的LoS链接和一定概率的nLoS链接构成；当给定路径损耗阈值L th 时，那么无人机k到用户i的路径损耗函数为d ik 关于h的非线性隐函数；通过对无人机k到用户i的路径损耗函数求偏导，求出无人机k到用户i的路径损耗函数的拐点值，将所述路径损耗函数的拐点值作为最佳固定高度H，同时求出d ik 的最大值，将所述d ik 的最大值作为无人机的最大覆盖半径R；其中，d ik 为用户i到无人机k覆盖圈圆心的距离，k∈K；h为无人机的高度。 4.根据权利要求1所述的面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，所述第二模型建立单元，具体用于：无人机与无人机的网络连接通过空空信道传播，通过line-of-sight(LoS)链路表示；将无人机k和无人机k'之间的路径损耗被视为自由空间传播损耗FSPL，建立无人机k和无人机k'之间的路径损耗函数，对所述无人机k和无人机k'之间的路径损耗函数的影响因素包括：无人机k与无人机k'之间的距离d kk' ，无人机与无人机信道的载波频率f，光速c；当给定无人机在无人机网络中的传输功率，得到路径损耗阈值 则能够确定无人机间的最大通信半径R 1 ；以及为能够保证无人机间的网络连通性，则且保证d kk' ≤R 1 。 5.根据权利要求1所述的面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，所述求解单元包括候选解求解子单元、第一优化子单元，其中：所述候选解求解子单元，具体用于：通过对用户聚类，将聚类中心确定为每个区域无人机的平面位置初始解的候选解，具体包括：令无人机的数量k＝n，结合无人机间的最大通信半径R 1 、无人机的最大覆盖半径R，对用户进行k-means聚类，将聚类中心作为每个区域无人机的平面位置初始解的候选解；对候选解进行连接性约束的检查，以及对不满足连接性约束的候选解进行修复直至满足连接性约束；所述第一优化子单元，具体用于：令所有无人机部署在最优高度H，结合无人机间的最大通信半径R 1 、无人机间的最大通信半径R，将满足连接性约束的候选解确定为无人机的初始位置，通过local search迭代到最大循环次数后输出无人机平面位置最优解。 6.根据权利要求5所述的面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，所述连接性约束是指每个无人机在作业停留位置均至少有一条返回到装载该无人机胶囊机场的回路，保证所有无人机及装载无人机的胶囊机场之间能够相互通信，传递覆盖信息并对无人机实现部署控制；所述连接性约束用于对每个区域无人机的平面位置初始解的候选解进行检验和修复。 7.根据权利要求5所述的面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，满足连接性约束的候选解是聚类得到的初始可行解，需要进一步改进；在所述第一优化子单元中，所述将满足连接性约束的候选解确定为无人机的初始位置，通过local search迭代到最大循环次数后输出无人机平面位置最优解，具体包括：使用单位长度为λ的方格，将连续平面离散化；针对每个无人机，该无人机初始位置所在λ×λ网格为该无人机local search的第一个邻域，第一邻域周围相邻的八个网格构成第二个邻域；将每个无人机所在的λ×λ网格再次用单位长度为 的方格离散化，得到该邻域内的候选解；第一个邻域动作是随机选择一个无人机，在其所在λ×λ网格内穷举搜索；第二个邻域动作是随机选择一个无人机，在其第二个邻域内随机选择一个λ×λ网格进行穷举搜索；在穷举搜索过程中，每搜索到一个新位置，判断其与所在将胶囊机场的连接约束是否满足连接性约束，如果满足连接性约束，则通过用户分配，计算用户覆盖数量，根据用户覆盖数量判断是否获得无人机平面位置的更优解；直至得到无人机平面位置最优解，则停止在下一个邻域内随机选择一个网格进行穷举搜索。 8.根据权利要求7所述的面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，在所述第一优化子单元中，所述计算用户覆盖数量，具体包括：当每个区域无人机的平面位置初始解的候选解满足连接性约束之后；采取贪婪覆盖的思想，将每个胶囊机场所在区域的用户分配到无人机；所述采取贪婪覆盖的思想，将该每个胶囊机场所在区域的用户分配到无人机，具体包括：首先，对于只有1个无人机连接的用户，直接将该用户分配到此无人机；其次，可连接无人机数量大于1的用户，按照分配准则进行分配，优先将其分配到距离最近还未达到覆盖阈值的无人机；其中，所述按照分配准则进行分配，具体包括：首先判断距离用户最近的无人机提供网络服务的容量是否达到容量上限，如果没有达到容量上限，则将该用户分配给最近的无人机；否则，继续判断距离第二近的无人机提供网络服务的容量是否达到容量上限，直到可连接无人机都被检验为容量达到容量上限，该用户被确定为无法覆盖的用户。 9.根据权利要求1所述的面向胶囊机场和无人机应用的最大覆盖部署装置，其特征在于，所述求解单元还包括第二优化子单元，所述第二优化子单元，具体用于：令每个无人机部署在最优平面位置，针对无人机k到用户i的路径损耗函数，输入j∈J及最优位置相应的最优解ψ best 、最佳固定高度H；对每一个无人机k∈ψ best ，计算其覆盖圈内所有用户到该无人机的水平距离d ik ；选择d ik 中的最大值d kmax 作为无人机的覆盖半径，如果最大值d kmax 小于无人机的最大覆盖半径R，则将d kmax 代入无人机k到用户i的路径损耗函数，求得此时无人机k的高度h kOptimal ，将h kOptimal 作为优化能效后无人机能效最优高度，所述无人机能效最优高度低于最佳固定高度H；为了保持连通性，在每个胶囊机场系统内部，对于只有1个无人机的回路，对应的无人机降落到其能耗最优高度，对于其他回路上的无人机，将这条回路上的所有无人机，都下降到该回路上最高的一个能耗最优高度；最终，将每个无人机部署在其能耗更优高度h kOptimized ；其中，胶囊机场系统是指通过胶囊机场以及该胶囊机场所装有的n个无人机；当无人机悬停在能耗更优高度h kOptimized 和最优水平位置时，无人机悬停机动过程中的能量消耗更低、且保证满足无人机之间的网络连通性条件，达到降低功率损耗的效果。