基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法及系統

所屬的技術人員能夠理解，本發明的各個方面可以實現為系統、方法或程序產品。因此，本發明的各個方面可以具體實現為以下形式，即：完全的硬件實施方式、完全的軟件實施方式(包括固件、微代碼等)，或硬件和軟件方面結合的實施方式，這里可以統稱為“電路”、“模塊”或“平臺”。本發明再一個實施例中，提供一種基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析系統，該系統能夠用于實現上述基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法，具體的，該基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析系統包括構建模塊、傳輸模塊以及輸出模塊。其中，構建模塊，構建基于無線攜能傳輸和多輸入單輸出-非正交多址接入通信的無人機輔助的農業物聯網模型；傳輸模塊，基于構建的無人機輔助的農業物聯網模型，構建能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型；輸出模塊，基于無人機輔助的農業物聯網模型和能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型，構建傳輸天線選擇策略；分析無人機輔助的農業物聯網的傳輸性能，推導基站下行傳輸中，蜂窩邊緣傳感器中斷概率的閉式解，并在閉式解的基礎上，推導中斷概率的近似解，通過中斷概率的近似解降低計算復雜度和運行時間。本發明再一個實施例中，提供了一種終端設備，該終端設備包括處理器以及存儲器，所述存儲器用于存儲計算機程序，所述計算機程序包括程序指令，所述處理器用于執行所述計算機存儲介質存儲的程序指令。處理器可能是中央處理單元(central?processingunit，cpu)，還可以是其他通用處理器、數字信號處理器(digital?signal?processor、dsp)、專用集成電路(application?specific?integrated?circuit，asic)、現成可編程門陣列(field-programmable?gate?array，fpga)或者其他可編程邏輯器件、分立門或者晶體管邏輯器件、分立硬件組件等，其是終端的計算核心以及控制核心，其適于實現一條或一條以上指令，具體適于加載并執行一條或一條以上指令從而實現相應方法流程或相應功能；本發明實施例所述的處理器可以用于基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法的操作，包括：構建基于無線攜能傳輸和多輸入單輸出-非正交多址接入通信的無人機輔助的農業物聯網模型；基于構建的無人機輔助的農業物聯網模型，構建能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型；基于無人機輔助的農業物聯網模型和能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型，構建傳輸天線選擇策略；分析無人機輔助的農業物聯網的傳輸性能，推導基站下行傳輸中，蜂窩邊緣傳感器中斷概率的閉式解，并在閉式解的基礎上，推導得到中斷概率的近似解，通過中斷概率的近似解降低計算復雜度和運行時間。本發明再一個實施例中，本發明還提供了一種存儲介質，具體為計算機可讀存儲介質(memory)，所述計算機可讀存儲介質是終端設備中的記憶設備，用于存放程序和數據。可以理解的是，此處的計算機可讀存儲介質既可以包括終端設備中的內置存儲介質，當然也可以包括終端設備所支持的擴展存儲介質，可以是任何包含或存儲程序的有形介質，該程序可以被指令執行系統、裝置或者器件使用或者與其結合使用。計算機可讀存儲介質提供存儲空間，該存儲空間存儲了終端的操作系統。并且，在該存儲空間中還存放了適于被處理器加載并執行的一條或一條以上的指令，這些指令可以是一個或一個以上的計算機程序(包括程序代碼)。需要說明的是，此處的計算機可讀存儲介質的更具體的例子(非窮舉的列表)包括：具有一個或多個導線的電連接、便攜式盤、硬盤、隨機存取存儲器(ram)、只讀存儲器(rom)、可擦式可編程只讀存儲器(eprom或閃存)、光纖、便攜式緊湊盤只讀存儲器(cd-rom)、光存儲器件、磁存儲器件、或者上述的任一合適的組合。計算機可讀存儲介質還包括在基帶中或者作為載波一部分傳播的數據信號，其中承載了可讀程序代碼。這種傳播的數據信號可以采用多種形式，包括但不限于電磁信號、光信號或上述的任一合適的組合。可讀存儲介質還可以是可讀存儲介質以外的任何可讀介質，該可讀介質可以發送、傳播或者傳輸用于由指令執行系統、裝置或者器件使用或者與其結合使用的程序。可讀存儲介質上包含的程序代碼可以用任何適當的介質傳輸，包括但不限于無線、有線、光纜、rf等等，或者上述的任一合適的組合。可以以一種或多種程序設計語言的任一組合來編寫用于執行本發明操作的程序代碼，程序設計語言包括面向對象的程序設計語言—諸如java、c++等，還包括常規的過程式程序設計語言—諸如“c”語言或類似的程序設計語言。程序代碼可以完全地在用戶計算設備上執行、部分地在用戶設備上執行、作為一個獨立的軟件包執行、部分在用戶計算設備上部分在遠程計算設備上執行、或者完全在遠程計算設備或服務器上執行。在涉及遠程計算設備的情形中，遠程計算設備可以通過任一種類的網絡，包括局域網(lan)或廣域網(wan)，連接到用戶計算設備，或者，可以連接到外部計算設備(例如利用因特網服務提供商來通過因特網連接)。可由處理器加載并執行計算機可讀存儲介質中存放的一條或一條以上指令，以實現上述實施例中有關基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法的相應步驟；計算機可讀存儲介質中的一條或一條以上指令由處理器加載并執行如下步驟：構建基于無線攜能傳輸和多輸入單輸出-非正交多址接入通信的無人機輔助的農業物聯網模型；基于構建的無人機輔助的農業物聯網模型，構建能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型；基于無人機輔助的農業物聯網模型和能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型，構建傳輸天線選擇策略；分析無人機輔助的農業物聯網的傳輸性能，推導基站下行傳輸中，蜂窩邊緣傳感器中斷概率的閉式解，并在閉式解的基礎上，推導得到中斷概率的近似解，通過中斷概率的近似解降低計算復雜度和運行時間。請參閱圖8，終端設備為計算機設備，該實施例的計算機設備60包括：處理器61、存儲器62以及存儲在存儲器62中并可在處理器61上運行的計算機程序63，該計算機程序63被處理器61執行時實現實施例中的儲層改造井筒中流體組成計算方法，為避免重復，此處不一一贅述。或者，該計算機程序63被處理器61執行時實現實施例儲層改造井筒中流體組成計算系統中各模型/單元的功能，為避免重復，此處不一一贅述。計算機設備60可以是桌上型計算機、筆記本、掌上電腦及云端服務器等計算設備。計算機設備60可包括，但不僅限于，處理器61、存儲器62。本領域技術人員可以理解，圖8僅僅是計算機設備60的示例，并不構成對計算機設備60的限定，可以包括比圖示更多或更少的部件，或者組合某些部件，或者不同的部件，例如計算機設備還可以包括輸入輸出設備、網絡接入設備、總線等。所稱處理器61可以是中央處理單元(central?processing?unit，cpu)，還可以是其它通用處理器、中央處理器、圖形處理器、數字信號處理器(digital?signal?processor，dsp)、專用集成電路(application?specific?integrated?circuit，asic)、現場可編程門陣列(field-programmable?gate?array，fpga)或者其它可編程邏輯器件、分立門或者晶體管邏輯器件、基于量子計算的數據處理邏輯器、分立硬件組件等。通用處理器可以是微處理器或者該處理器也可以是任何常規的處理器等。存儲器62可以是計算機設備60的內部存儲單元，例如計算機設備60的硬盤或內存。存儲器62也可以是計算機設備60的外部存儲設備，例如計算機設備60上配備的插接式硬盤，智能存儲卡(smart?media?card，smc)，安全數字(secure?digital,sd)卡，閃存卡(flash?card)等。進一步地，存儲器62還可以既包括計算機設備60的內部存儲單元也包括外部存儲設備。存儲器62用于存儲計算機程序以及計算機設備所需的其它程序和數據。存儲器62還可以用于暫時地存儲已經輸出或者將要輸出的數據。本技術所提供的各實施例中所使用的對存儲器、數據庫或其它介質的任何引用，均可包括非易失性和易失性存儲器中的至少一種。非易失性存儲器可包括只讀存儲器(read-only?memory，rom)、磁帶、軟盤、閃存、光存儲器、高密度嵌入式非易失性存儲器、阻變存儲器(reram)、磁變存儲器(magnetoresistive?random?access?memory，mram)、鐵電存儲器(ferroelectric?random?access?memory，fram)、相變存儲器(phase?change?memory，pcm)、石墨烯存儲器等。易失性存儲器可包括隨機存取存儲器(random?access?memory，ram)或外部高速緩沖存儲器等。作為說明而非局限，ram可以是多種形式，比如靜態隨機存取存儲器(static?random?access?memory，sram)或動態隨機存取存儲器(dynamic?randomaccess?memory，dram)等。本技術所提供的各實施例中所涉及的數據庫可包括關系型數據庫和非關系型數據庫中至少一種。非關系型數據庫可包括基于區塊鏈的分布式數據庫等，不限于此。本技術所提供的各實施例中所涉及的處理器可為通用處理器、中央處理器、圖形處理器、數字信號處理器、可編程邏輯器、基于量子計算的數據處理邏輯器等，不限于此。請參閱圖9，終端設備600為電子設備，電子設備以通用計算設備的形式表現。電子設備的組件可以包括但不限于：至少一個處理單元610、至少一個存儲單元620、連接不同平臺組件(包括存儲單元620和處理單元610)的總線630、顯示單元640等。其中，存儲單元存儲有程序代碼，程序代碼可以被處理單元610執行，使得處理單元610執行本說明書上述方法部分中描述的根據本發明各種示例性實施方式的步驟。例如，處理單元610可以執行如圖1中所示的步驟。存儲單元620可以包括易失性存儲單元形式的可讀介質，例如隨機存取存儲單元(ram)6201和/或高速緩存存儲單元6202，還可以進一步包括只讀存儲單元(rom)6203。存儲單元620還可以包括具有一組(至少一個)程序模塊6205的程序/實用工具6204，這樣的程序模塊6205包括但不限于：操作系統、一個或者多個應用程序、其它程序模塊以及程序數據，這些示例中的每一個或某種組合中可能包括網絡環境的實現。總線630可以為表示幾類總線結構中的一種或多種，包括存儲單元總線或者存儲單元控制器、外圍總線、圖形加速端口、處理單元或者使用多種總線結構中的任一總線結構的局域總線。電子設備600也可以與一個或多個外部設備700(例如鍵盤、指向設備、藍牙設備等)通信，還可與一個或者多個使得用戶能與該電子設備600交互的設備通信，和/或與使得該電子設備600能與一個或多個其它計算設備進行通信的任何設備(例如路由器、調制解調器等等)通信。這種通信可以通過輸入/輸出(i/o)接口650進行。并且，電子設備600還可以通過網絡適配器660與一個或者多個網絡(例如局域網(lan)，廣域網(wan)和/或公共網絡，例如因特網)通信。網絡適配器660可以通過總線630與電子設備600的其它模塊通信。應當明白，盡管圖中未示出，可以結合電子設備600使用其它硬件和/或軟件模塊，包括但不限于：微代碼、設備驅動器、冗余處理單元、外部磁盤驅動陣列、raid系統、磁帶驅動器以及數據備份存儲平臺等。下面結合仿真對本發明的技術效果作詳細的描述。本實驗對一種基于無人機輔助的農業物聯網傳輸天線選擇與性能分析方法及系統和基于相同網絡參數的已有機制進行仿真，驗證本發明方法的優越性。具體地步驟如下，相同網絡參數為：r＝{4,6,8}、s＝50、pb＝[0,30]dbm、α＝0.5、λ∈[0.1,0.9]、ηau＝-100dbm/hz、ηcu＝-90dbm/hz、空對地的路徑損耗模型為38.5+22lg(d[m])+20lg(fc[ghz])，地對地的路徑損耗模型為32.4+30lg(d[m])+20lg(fc[ghz])，其中fc(fc＝1.8ghz)為載波頻率。請參閱圖5，給出了本發明實施例提供的與對比方案1、對比方案2、對比方案3進行中斷概率對比的性能對比圖。由此圖可以看出，我們提出的傳輸天線選擇策略比其他三種對比方案表現更優。原因如下：首先，方案1旨在最大化中繼無人機的能量收集效率，該能量用于支持其中繼操作。在這種情況下，采用的傳輸天線選擇策略是次優的。特別是在高傳輸功率的情況下，更有可能發生傳輸中斷。其次，方案2專注于最大化基站到小區邊緣傳感器的直接連接性能。與方案1類似，該方案也只能達到次優性能。相比之下，我們提出的傳輸天線選擇策略采用了一個全面的方法，從無人機輔助的農業物聯網的角度出發，實現了小區邊緣傳感器的最佳中斷性能。此外，在方案3中，多個傳感器之間的信道分配并未優化，頻譜分配是預先設定的。這種配置無法很好地適應無人機輔助的農業物聯網中的動態變化，導致其中斷性能差于我們提出的傳輸天線選擇策略。此圖表明，在無人機輔助的通信網絡中，尤其是在農業物聯網中，優化傳輸天線選擇策略的必要性。請參閱圖6，給出了本發明實施例提供的蜂窩邊緣傳感器中斷概率的閉式解與近似解進行中斷概率對比的性能對比圖。可以觀察到，近似解的中斷概率與閉式解的中斷概率非常接近，說明近似誤差較小。同時，無論天線數量或傳輸功率如何變化，近似解都能保持高度的準確性。請參閱圖7，給出了本發明實施例提供的蜂窩邊緣傳感器中斷概率的閉式解與近似解進行運行時間對比的性能對比圖。值得注意的是，近似解的運行時間僅為閉式解的11.7％(平均值)。因此，推導出的近似方法在無人機輔助的農業物聯網中顯著節省了計算資源。這對于無人機驅動的智慧農業尤為重要，因為它使得數據的處理和分析能夠更高效地進行。通過降低計算負荷并采用swipt技術，無人機能夠在單次充電下實現更長時間的運行，并且能更頻繁和更準確地完成監控、作物健康分析以及精確施用養分或農藥等復雜任務。這種高效利用計算資源的方式不僅提升了無人機的操作能力，也大幅增強了實際農業應用的生產效率和可持續發展能力。綜上所述，本發明一種基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法及系統，采用無人機作為中繼擴大網絡的覆蓋范圍，將多輸入單輸出-非正交多址接入通信應用于無人機輔助的農業物聯網中以提高傳輸性能，并將無線攜能傳輸應用于中繼傳輸中進一步提高農業物聯網的能效。針對無人機輔助的農業物聯網，設計了最優的傳輸天線選擇策略。此外，分析無人機輔助的農業物聯網的傳輸性能，推導基站下行傳輸中，蜂窩邊緣傳感器中斷概率的閉式解，并在閉式解的基礎上，推導中斷概率的近似解。

背景技術：

1、農業物聯網(agri-iot)是現代農業中的革命性方法，它通過數據驅動的智能決策顯著提升了效率和生產力。這一系統通過部署傳感器和執行器，能夠監測多種環境參數，自動化流程處理，并優化資源配置，有效地減少資源浪費和提高作物產量。然而，農業物聯網在實施中也面臨挑戰，如蔓生植物和樹木等物理障礙可能會阻礙或干擾信號的傳播。為克服這一問題，引入無人機(uavs)作為信號中繼，能顯著提升通信質量。借助無人機的移動性和靈活性，無人機輔助的農業物聯網確保了數據傳輸的穩定性，有效擴大了農田的通信覆蓋范圍和傳輸可靠性。

2、盡管引入無人機增強了農業物聯網的通信性能，但在傳感器密集部署的環境中，通信吞吐量和延遲仍是難題。針對這一挑戰，多輸入單輸出-非正交多址接入(miso-noma)通信技術提供了一個有效的解決方案。該技術通過在不同功率級別上疊加傳感器信號，提高了頻譜效率。利用連續干擾消除(sic)技術，這些信號可以在接收端被逐一解碼。此外，通過傳輸天線選擇(tas)技術，根據信道條件選取最佳天線，進一步提升信號質量并減少干擾，從而優化傳輸性能。

3、然而，傳統非合作的非正交多址接入(noma)傳輸往往難以保證用戶吞吐量的公平性。因此，在無人機輔助的農業物聯網中采用多輸入單輸出-非正交多址接入(miso-noma)通信時，另一個重要的挑戰是在提高邊緣傳感器的總數據速率的同時確保公平性。相比之下，合作noma具有明顯的優勢。這種方法利用附近無人機的協作潛力重新分配信號，從而實現公平性并提高接收可靠性。此外，由于農業傳感器和無人機通常受能量限制，將無線攜能通信(swipt)技術整合到無人機輔助的農業物聯網中可以提供雙重好處。無線攜能通信技術不僅確保農業傳感器和無人機能夠持續運行，無需頻繁更換電池，而且還增強了通信網絡的彈性，使其成為農業物聯網系統可持續擴展的關鍵組成部分。通過這些先進技術(miso-noma傳輸、無線攜能通信等)，無人機輔助的農業物聯網能夠實現更高的效率和可靠性，這對未來的智慧農業而言至關重要。

4、現有技術1研究了無人機輔助的農業物聯網信息傳輸技術，其中無人機被用作信號中繼，轉發來自基站的信號。此外，通過采用非正交多址接入(noma)技術，進一步擴增了農業物聯網中傳感器的接入數量。在該技術中，無人機與傳感器之間以及基站至無人機之間的信道均被視作瑞利(rayleigh)衰落。該研究分析了在瑞利衰落環境下，啟用無人機中繼時，從基站到傳感器之間的中斷概率。

5、現有技術2研究了在無人機輔助的農業物聯網中，采用毫米波波束成形技術的多用戶多輸入單輸出(miso)通信，并在無人機中繼與基站之間應用miso的空間復用技術，來提高系統容量。在此基礎上，現有技術二提出了一種旨在最大化多用戶miso容量的無人機中繼部署方法。

6、現有技術3研究了在多播場景下，使用無人機實施無線攜能通信(swipt)技術的聯合資源分配問題。該技術通過派遣無人機向地面的多個傳感器同時發送公共信息和無線功率。傳感器采用混合功率分割的接收器架構，既能解碼信息，又能收集能量。該研究通過優化無人機的飛行軌跡和發射功率，并結合傳感器的功率分割比，旨在所有傳感器的能量收集約束下，最大化無人機輔助的農業物聯網的最小數據傳輸速率。

7、然而，現有技術存在的問題是：

8、首先，盡管現有研究采用瑞利(rayleigh)衰落信道模型來描述無人機輔助的農業物聯網，但在無人機輔助的實際農業應用場景中，萊斯(rician)衰落信道顯得更為適合。通常，萊斯衰落信道包括視距成分，更貼近實際農業環境的需求，原因在于無人機與接收器之間通常存在明確的視線路徑。同時，無人機的高移動性使得準確獲取信道狀態信息(csi)變得更加復雜。大多數研究默認信道狀態信息為已知，然而這一假設在實際的無人機輔助農業物聯網應用中往往難以成立。因此，迫切需要采用更高效的方法來估計信道狀態信息，以便更好地適應無人機輔助的農業物聯網環境。

9、其次，雖然之前的研究已經利用多輸入單輸出(miso)技術來提升農業物聯網的通信效率，但傳輸天線選擇策略仍然需要進一步完善。這一策略應綜合考慮萊斯衰落和不完美的信道狀態信息，以便更有效地應對復雜和多變的信道環境。此外，目前許多研究主要集中于單用戶的性能分析，這限制了多輸入單輸出技術及無人機通信的更廣泛應用。對于農業物聯網而言，有必要將多輸入單輸出技術及基于無人機的通信擴展到大規模網絡，并探索如何在多個傳感器之間有效地分配頻譜資源。

10、最后，當前研究在嘗試通過譯碼轉發(df)中繼協議將協作式非正交多址接入(noma)和無線攜能通信(swipt)技術整合到無人機輔助的農業物聯網中時，面臨諸多挑戰。一方面，如何有效集成這些技術以提升網絡通信質量和能效尚未取得突破。雖然無人機輔助的農業物聯網能夠增強數據收集、傳輸覆蓋和能源效率，但對網絡中斷性能的分析仍不夠精確。另一方面，考慮到農業物聯網環境中計算資源有限，如何優化并近似網絡中斷概率以提升整體網絡性能，仍是一個需進一步探索的領域。

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法及系統，用于解決難以選擇最優天線進行信息傳輸從而獲得最小化中斷概率，及難以對網絡的中斷概率進行精確分析的技術問題。

2、本發明采用以下技術方案：

3、基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法，包括以下步驟：

4、構建基于無線攜能傳輸和多輸入單輸出-非正交多址接入通信的無人機輔助的農業物聯網模型；

5、基于構建的無人機輔助的農業物聯網模型，構建能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型；

6、基于無人機輔助的農業物聯網模型和能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型，構建傳輸天線選擇策略；分析無人機輔助的農業物聯網的傳輸性能，推導基站下行傳輸中，蜂窩邊緣傳感器中斷概率的閉式解，并在閉式解的基礎上，推導得到中斷概率的近似解，通過中斷概率的近似解降低計算復雜度和運行時間。

7、優選地，無人機輔助的農業物聯網模型具體包括：1個基站、1個無人機，s個農業傳感器；基站配備了r個天線，無人機和傳感器均為單天線；分別定義基站的第r個天線到無人機和第s個傳感器的衰落系數為和hi,s；多個傳感器之間的信道分配采用匈牙利算法，通過一階高斯-馬爾可夫過程估計信道狀態信息。

8、3.根據權利要求2所述的基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法，其特征在于，無人機作為具有混合時間開關/功率分割能量收集功能的中繼，并采用非正交多址接入增強的譯碼轉發中繼協議。

9、優選地，將時間t分割為三個時間子塊；

10、在第一個具有持續時間λt的子塊t1內，無人機從接收到的觀測數據中獲取能量，λ為用于能量收集的時間比例，0≤λ＜1；

11、在第二個具有持續時間的子塊t2內，無人機利用部分接收功率用于能量收集，并同時采用剩余接收功率用于信息解碼，定義α為功率分割比，即α為用于能量收集的比例，(1-α)為信息解碼的比例，0≤α＜1；

12、在第三個具有持續時間的子塊t3內，無人機將所有收集到的能量用于執行中繼操作。

13、優選地，能量收集和直接傳輸模型具體為：

14、在無人機處與第r個天線相關的總收集能量為：

15、

16、其中，κ為能量轉換效率，0＜κ＜1，t為時間，pb為基站發射功率，為第r個天線到無人機的信道增益，具有零均值和方差的獨立同分布復高斯隨機變量，λ為用于能量收集的時間比例，α為功率分割比；

17、無人機使用連續干擾消除技術首先解碼xs，并在此基礎上解碼xu(s)；

18、對于無人機，解碼信息xs時的信干噪比為：

19、

20、利用連續干擾消除技術成功解碼信息xs后，解碼信息xu(s)時的信干噪比為：

21、

22、通過下變頻進行信息解碼后，第s個傳感器接收來自基站的信號表示為：

23、

24、其中，為第s個傳感器接收天線的加性高斯白噪聲，具有零均值和方差為第s個傳感器下變頻的加性高斯白噪聲，具有零均值和方差為第r個天線到第s個傳感器的信道增益，為具有零均值和方差的獨立同分布復高斯隨機變量；

25、在第s個傳感器處，解碼來自基站的信息xs時的信干噪比為：

26、

27、其中，為分配給第s個傳感器的功率分配系數，為第r個天線到第s個傳感器的信道增益，為具有零均值和方差的獨立同分布復高斯隨機變量)，為分配給無人機的功率分配系數，

28、優選地，協作傳輸模型具體為：

29、第s個傳感器接收來自無人機的信號表示為：

30、

31、其中，為無人機在協作傳輸階段給第s個傳感器的發射功率；xs′為信息xs的重新編碼形式；hu,s為無人機到第s個傳感器的信道增益；

32、在第s個傳感器處，解碼來自無人機的信息xs′時的信干噪比γu→s(xs′)為：

33、

34、最后，第s個傳感器采用選擇性合并技術選用具有最優信干噪比的信號，γu→s為(γu→s(xs′)為解碼來自無人機的信息xs′時的信干噪比，這才是一個完整的參數，單獨γu→s無定義)。

35、優選地，構建傳輸天線選擇策略；分析無人機輔助的農業物聯網的傳輸性能具體為：

36、數據傳輸前，先根據信道狀態信息選擇最優的天線(r)*；

37、定義和為無人機和第s個傳感器的預期傳輸速率閾值，確定第s個傳感器的中斷概率psop；

38、通過三項式系數對中斷概率psop近似處理得到其近似解psap。

39、優選地，中斷概率psop包括兩種情況：

40、情況1

41、

42、情況2

43、

44、其中，ξ1、ξ2、ξ3和ξ4為便于計算與表達的中間變量，具體計算公式為：

45、

46、

47、和

48、

49、其中，r為天線的數量，為分配給第s個傳感器的功率分配系數，為分配給無人機的功率分配系數，為便于計算與表達的中間變量，具體計算公式為：

50、

51、為第r個天線到無人機的信道增益，具有零均值和方差的獨立同分布復高斯隨機變量，e(·)為(·)的均值，ir為中間變量，zs為中間變量，zs＝|hu,s|2，hu,s為無人機到第s個傳感器的信道增益，為具有零均值和方差τu,s的獨立同分布復高斯隨機變量。

52、優選地，近似解psap為：

53、

54、其中，r為天線的數量，a,b,c為中間變量且為正整數，需滿足a+b+c＝r，ψ1、ψ2、ψ3、ψ4和ψ5為便于計算與表達的中間變量。

55、第二方面，本發明實施例提供了一種基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析系統，包括：

56、構建模塊，構建基于無線攜能傳輸和多輸入單輸出-非正交多址接入通信的無人機輔助的農業物聯網模型；

57、傳輸模塊，基于構建的無人機輔助的農業物聯網模型，構建能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型；

58、輸出模塊，基于無人機輔助的農業物聯網模型和能量收集和直接傳輸模型、協作傳輸模型，構建傳輸天線選擇策略；分析無人機輔助的農業物聯網的傳輸性能，推導基站下行傳輸中，蜂窩邊緣傳感器中斷概率的閉式解，并在閉式解的基礎上，推導中斷概率的近似解，通過中斷概率的近似解降低計算復雜度和運行時間。

59、第三方面，一種計算機設備，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運行的計算機程序，所述處理器執行所述計算機程序時實現上述基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法的步驟。

60、第四方面，本發明實施例提供了一種計算機可讀存儲介質，包括計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現上述基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法的步驟。

61、與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：

62、基于無人機的農業物聯網天線選擇與性能分析方法，在農業物聯網中，采用無人機進行輔助，結合了無線攜能傳輸和多輸入單輸出-非正交多址接入通信技術，具有以下優勢。一方面，無線攜能傳輸允許無人機同時通過無線信號傳輸數據和傳輸能量，從而為設備充電或供電。這意味著無人機可以在飛行過程中不斷接收能量并同時將傳感器數據傳輸回基站，實現了能量和數據的有效管理和利用。另一方面，采用多輸入單輸出-非正交多址接入通信能夠在相同的頻譜資源下，通過多個天線接收器對信號進行處理，從而提高了數據傳輸的速率和系統的容量。在農業環境中，這意味著無人機可以更快速地收集大量數據，并且在較短時間內完成傳輸任務，從而提高了農作物監測和管理的效率。

63、進一步的，在農業物聯網中，采用匈牙利算法和一階高斯-馬爾可夫過程估計信道狀態信息，具有以下優勢：一方面，匈牙利算法能夠有效地解決信道分配問題，確保多個傳感器之間的通信在分配給定的信道資源時，能夠最大化整體性能。在農業物聯網中，這意味著能夠有效地協調和分配農田中各個傳感器的通信需求，確保數據的及時性和準確性。通過匈牙利算法優化信道分配，可以避免傳感器之間的信道沖突和干擾，提高了網絡的整體容量和效率。這對于大規模農場或需要大量傳感器覆蓋的農業環境尤為重要，確保系統能夠承載和處理大量數據流。另一方面，一階高斯-馬爾可夫過程能夠提供對信道狀態的良好估計，這對于決策合適的通信策略至關重要。同時，一階高斯-馬爾可夫過程提供了對信道狀態的概率分布估計，這種概率性的估計能夠幫助系統更好地適應不斷變化的通信環境，增強了通信的穩定性和可靠性。在農業物聯網中，農田環境可能受到天氣和植被影響，信道條件會發生變化，良好的信道估計有助于應對這些變化。

64、進一步的，采用非正交多址接入增強的譯碼轉發中繼協議能夠在農業物聯網中顯著提升系統的性能、效率和可靠性，通過優化信號傳輸和能量消耗，支持大規模農場的數據傳輸和管理需求，從而為現代化農業生產提供更加高效和可靠的通信解決方案。

65、進一步的，通過將時間t分割為三個子塊，系統可以在每個時間段內的進行不同的操作，分別為能量捕獲與利用、信息解碼、信息中繼，各項功能可互不干擾。

66、進一步的，基于當前的信道狀態信息，基于無人機的農業物聯網可以估計每個天線對應的信道質量。選擇最佳天線配置意味著能夠最大化整體信號的接收質量和傳輸速率，從而實現最佳的性能優化。此外，設計相應的分析方法可以進一步精確分析無人機輔助的農業物聯網的傳輸性能，從而為動態的網絡配置和適應性提供支持。

67、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以參見上述第一方面中的相關描述，在此不再贅述。

68、綜上所述，本發明方法將非正交多址接入(noma)和無線攜能通信(swipt)技術整合至無人機輔助的農業物聯網中。在無人機輔助的農業物聯網中，位于小區中心的無人機采用協作式noma技術增強的譯碼轉發中繼協議，以提升頻譜效率。此外，中繼無人機上實施的swipt技術使其能夠同時無線接收數據和能量，這不僅簡化了無人機的設計，還減少了對機載電池的依賴。與此同時，位于小區邊緣的農業傳感器通過選擇性合并技術，從基站的多個天線中選擇最佳信號，以增強其信號接收能力；為了進一步提升服務質量，我們為基站提出了一種傳輸天線選擇策略，這種策略在小區邊緣傳感器中能夠實現最優的中斷性能。在全面分析無人機輔助、swipt增強的農業物聯網中多輸入單輸出-非正交多址接入(miso-noma)通信性能的基礎上，推導出了在萊斯衰落信道條件下的中斷概率的閉式解，并進一步獲得了采用三項式定理的近似解。通過近似解可以顯著降低計算復雜度和運行時間，滿足實際應用的需求。

69、下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。