本發(fā)明涉及一種面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法，屬于無線通信技術領域。

背景技術：

近年來，規(guī)模龐大的自然災害時有發(fā)生，不僅造成了嚴重的社會影響，同時也帶來了極大的經(jīng)濟損失，因而受到了各級政府和社會各界的高度重視和廣泛關注。然而，在地震、雪災等各種自然災害發(fā)生后，往往會出現(xiàn)交通受阻、電力中斷、通信傳輸線路大面積癱瘓等不利情況，這給應急救援行動帶來嚴重阻礙。此時，快速建立相應的應急通信指揮網(wǎng)就顯得尤為重要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法，通過優(yōu)化分配無線用戶終端、無人機和控制中心之間的功率資源，在總功率一定的條件下，最大化系統(tǒng)傳輸容量。

本發(fā)明為了解決上述技術問題采用以下技術方案：本發(fā)明設計了一種面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法，以無人機作為中繼節(jié)點構成中繼網(wǎng)絡，分別在各個通信時隙中，執(zhí)行如下步驟，選擇最佳無線用戶終端接入無人機中繼網(wǎng)絡，基于無人機中繼節(jié)點，經(jīng)兩條通信鏈路與控制中心進行通信；

步驟a.分別針對各個待選無線用戶終端，獲得假設待選無線用戶終端接入無人機中繼網(wǎng)絡中，該待選無線用戶終端所獲分配信道的狀態(tài)信息；

步驟b.分別針對各個待選無線用戶終端，基于待選無線用戶終端假設接入無人機中繼網(wǎng)絡中，所獲分配信道的狀態(tài)信息，按兩條通信鏈路，獲得該待選無線用戶終端所對應的總信道容量，進而獲得各個待選無線用戶終端分別假設接入無人機中繼網(wǎng)絡中所對應的總信道容量；

步驟c.選擇最大總信道容量所對應的待選無線用戶終端作為最佳無線用戶終端，將最佳無線用戶終端接入無人機中繼網(wǎng)絡進行通信。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，所述步驟a中，分別針對各個待選無線用戶終端，假設待選無線用戶終端接入無人機中繼網(wǎng)絡中，根據(jù)如下過程，獲得該待選無線用戶終端所獲分配信道的狀態(tài)信息；

分別針對待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u，以及無人機中繼節(jié)點u到控制中心c兩條兩條通信鏈路，分別根據(jù)如下公式：

θ＝tan^-1(h/r)

p(nlos)＝1-p(los)

獲得各條通信鏈路分別所對應的glos和gnlos，然后分別針對各條通信鏈路，根據(jù)通信鏈路所對應的glos和gnlos，以概率p(los)取到glos，以及以概率p(nlos)取到gnlos，求得通信鏈路的大尺度損耗系數(shù)，即獲得待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u之間的大尺度損耗因子gsu，以及無人機中繼節(jié)點u到控制中心c之間的大尺度損耗因子guc；其中，c為光速，fc為載波頻率，d為對應傳輸距離，glos和gnlos分別表示視距傳播los和非視距傳播nlos下的平均路徑損耗，ζlos和ζnlos分別表示視距傳播和非視距傳播相對自由空間所帶來的額外傳播損耗，p(los)和p(nlos)分別表示產(chǎn)生視距傳播和非視距傳播的概率，α和β是與環(huán)境有關的常數(shù)，θ表示無人機產(chǎn)生的俯仰角，r表示無人機在地面的覆蓋范圍；

同時，獲得待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u之間的小尺度衰落因子hsu，以及無人機中繼節(jié)點u到控制中心c之間的小尺度衰落因子huc。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，所述步驟b中，分別針對各個待選無線用戶終端，執(zhí)行如下步驟，基于待選無線用戶終端假設接入無人機中繼網(wǎng)絡中，所獲分配信道的狀態(tài)信息，按兩條通信鏈路，獲得該待選無線用戶終端所對應的總信道容量，進而獲得各個待選無線用戶終端分別假設接入無人機中繼網(wǎng)絡中所對應的總信道容量；

如下公式所示：

ps＝|hsu|²gsupsu

pc＝|huc|²gucpuc

其中，ps表示待選無線用戶終端s的信號功率，pc表示控制中心c的信號功率，γ1表示待選無線用戶終端s的信噪比，γ2表示控制中心c的信號功率，n0表示噪聲功率譜密度；psu表示待選無線用戶終端s的發(fā)射功率，puc表示無人機的發(fā)射功率；

根據(jù)如下香農(nóng)公式：

其中，csu表示待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u通信鏈路的信道容量，cuc表示無人機中繼節(jié)點u到控制中心c通信鏈路的信道容量；

在af機制下，基于待選無線用戶終端s的發(fā)射功率pt給定，優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為：

s.tpsu+puc＝pt

優(yōu)化目標又可以轉(zhuǎn)換為：

s.tpsu+puc＝pt

構造拉格朗日函數(shù)l：

其中l(wèi)(psu,puc,λ)表示拉格朗日乘子；

根據(jù)如下公式：

|hsu|²gsu＝k1

|huc|²guc＝k2

求得待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u通信鏈路的總衰落系數(shù)k1，以及無人機中繼節(jié)點u到控制中心c通信鏈路的總衰落系數(shù)k2；

分別對各個自變量以及λ求偏導數(shù)并使其等于零，得乘子的表達式為

進一步獲得待選無線用戶終端s的發(fā)射功率psu，以及無人機的發(fā)射功率puc：

則待選無線用戶終端s經(jīng)過兩條通信鏈路后所產(chǎn)生的總信道容量ci為：

其中，n表示待選無線用戶終端的數(shù)量。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，所述步驟c中，根據(jù)如下公式：

選擇最大總信道容量所對應的待選無線用戶終端作為最佳無線用戶終端，將最佳無線用戶終端接入無人機中繼網(wǎng)絡進行通信。

本發(fā)明所述一種面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：本發(fā)明設計的面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法，在總功率一定的情況下，對功率進行了分配，提高了信道容量，并且針對用戶進行調(diào)度，在應急場景下確保了有用戶能接入信道，更符合實際情況，不僅如此，無人機的應用，具有部署方便，機動靈活，不受復雜地形和障礙物的限制；并且成本低廉、可靠性高；實際通信適用性強、信息傳輸質(zhì)量高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所設計面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法的架構示意圖；

圖2是本發(fā)明所設計面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法的流程示意圖；

圖3是在發(fā)射總功率不同的情況下，平均功率分配方案與本發(fā)明方案的信道容量仿真圖對比示意圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

無人機具有體積小、造價低、使用方便、對環(huán)境要求低和生存能力較強等優(yōu)點，在地面交通受阻的情況下可通過空中路徑快速到達災難現(xiàn)場，并建立相應的應急通信網(wǎng)絡，無人機通信系統(tǒng)，通過利用無人機作為中繼節(jié)點，可以將無線用戶終端接入到控制中心，在應急場景下獲得較好的通信質(zhì)量，滿足災區(qū)人民的應急通信需求。

無人機中繼通信系統(tǒng)利用無人機作為空中平臺，并通過其搭載的通信中繼設備，在空中轉(zhuǎn)發(fā)地面通信設備之間的數(shù)據(jù)信息。借助于無人機空中平臺的中繼作用，可以快速建立相應的通信鏈路，并且不受災區(qū)地形的限制，實現(xiàn)越障可靠通信。相對于傳統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡，無人機中繼通信系統(tǒng)的優(yōu)勢主要包括：1)部署方便，機動靈活；2)不受復雜地形和障礙物的限制；3)成本低廉、可靠性高；4)通信設備適用性強、信息傳輸質(zhì)量高。

隨著無人機技術的不斷發(fā)展，無人機中繼通信必將成為解決復雜地形環(huán)境下通信瓶頸問題的一種有效手段，在未來的通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。與此同時，在給定總功率受限的約束條件下，解決無線用戶終端、無人機和控制中心之間的功率分配優(yōu)化問題，對于無人機傳輸容量的提升具有重要意義。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明設計了一種面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法，實際應用中，以無人機作為中繼節(jié)點構成中繼網(wǎng)絡，分別在各個通信時隙中，執(zhí)行如下具體步驟，選擇最佳無線用戶終端接入無人機中繼網(wǎng)絡，基于無人機中繼節(jié)點，經(jīng)兩條通信鏈路與控制中心進行通信；

在無人機中繼通信系統(tǒng)中，無線信道不僅具有大尺度損耗和小尺度衰落，同時無線用戶終端的俯仰角也將對無人機信道衰落帶來額外的影響，所以首先獲得所分配信道的狀態(tài)信息。

步驟a.分別針對各個待選無線用戶終端，假設待選無線用戶終端接入無人機中繼網(wǎng)絡中，根據(jù)如下過程，獲得該待選無線用戶終端所獲分配信道的狀態(tài)信息。

分別針對待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u，以及無人機中繼節(jié)點u到控制中心c兩條兩條通信鏈路，分別根據(jù)如下公式：

θ＝tan^-1(h/r)

p(nlos)＝1-p(los)

獲得各條通信鏈路分別所對應的glos和gnlos，然后分別針對各條通信鏈路，根據(jù)通信鏈路所對應的glos和gnlos，以概率p(los)取到glos，以及以概率p(nlos)取到gnlos，求得通信鏈路的大尺度損耗系數(shù)，即獲得待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u之間的大尺度損耗因子gsu，以及無人機中繼節(jié)點u到控制中心c之間的大尺度損耗因子guc；其中，c為光速，fc為載波頻率，d為對應傳輸距離，glos和gnlos分別表示視距傳播los(lineofsight)和非視距傳播nlos(non-lineofsight)下的平均路徑損耗，ζlos和ζnlos分別表示視距傳播和非視距傳播相對自由空間所帶來的額外傳播損耗，p(los)和p(nlos)分別表示產(chǎn)生視距傳播和非視距傳播的概率，α和β是與環(huán)境有關的常數(shù)，θ表示無人機產(chǎn)生的俯仰角，r表示無人機在地面的覆蓋范圍。

同時，獲得待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u之間的小尺度衰落因子hsu，以及無人機中繼節(jié)點u到控制中心c之間的小尺度衰落因子huc。

為計算出兩條通信鏈路的信道容量，首先應當計算出待選無線用戶終端，以及控制中心的信噪比，同時考慮到大尺度損耗和小尺度衰落對無線信道帶來的影響，待選無線用戶終端的信號功率，以及控制中心的信號功率，因此執(zhí)行如下步驟b。

步驟b.分別針對各個待選無線用戶終端，執(zhí)行如下步驟，基于待選無線用戶終端假設接入無人機中繼網(wǎng)絡中，所獲分配信道的狀態(tài)信息，按兩條通信鏈路，獲得該待選無線用戶終端所對應的總信道容量，進而獲得各個待選無線用戶終端分別假設接入無人機中繼網(wǎng)絡中所對應的總信道容量。

如下公式所示：

ps＝|hsu|²gsupsu

pc＝|huc|²gucpuc

其中，ps表示待選無線用戶終端s的信號功率，pc表示控制中心c的信號功率，γ1表示待選無線用戶終端s的信噪比，γ2表示控制中心c的信號功率，n0表示噪聲功率譜密度；psu表示待選無線用戶終端s的發(fā)射功率，puc表示無人機的發(fā)射功率。

根據(jù)如下香農(nóng)公式：

其中，csu表示待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u通信鏈路的信道容量，cuc表示無人機中繼節(jié)點u到控制中心c通信鏈路的信道容量。

采用af方式進行功率前傳，因此，無人機中繼節(jié)點u所接收到的信號yu和控制中心c所接收到的信號yc可以分別表示為：

yu＝hsus+nu

無人機中繼節(jié)點u到控制中心c之間的信噪比為：

其中，為放大系數(shù)，為無線終端s的信噪比。

在af機制下，基于待選無線用戶終端s的發(fā)射功率pt給定，優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為：

s.tpsu+puc＝pt

優(yōu)化目標又可以轉(zhuǎn)換為：

s.tpsu+puc＝pt

證明函數(shù)是一個凸函數(shù)，利用hesse矩陣來證明，證明過程如下：

hesse矩陣為：

由于γ1＞0,γ2＞0，所以4γ1^-3γ2^-3＞0，因此，hesse矩陣正定，此函數(shù)一定是一個凸函數(shù)。

采用拉格朗日乘子法來解決這個最優(yōu)化問題，構造拉格朗日函數(shù)l：

其中l(wèi)(psu,puc,λ)表示拉格朗日乘子。

根據(jù)如下公式：

|hsu|²gsu＝k1

|huc|²guc＝k2

求得待選無線用戶終端s到無人機中繼節(jié)點u通信鏈路的總衰落系數(shù)k1，以及無人機中繼節(jié)點u到控制中心c通信鏈路的總衰落系數(shù)k2。

分別對各個自變量以及λ求偏導數(shù)并使其等于零，得乘子的表達式為

進一步獲得待選無線用戶終端s的發(fā)射功率psu，以及無人機的發(fā)射功率puc：

則待選無線用戶終端s經(jīng)過兩條通信鏈路后所產(chǎn)生的總信道容量ci為：

其中，n表示待選無線用戶終端的數(shù)量。

步驟c.所述步驟c中，根據(jù)如下公式：

選擇最大總信道容量所對應的待選無線用戶終端作為最佳無線用戶終端，將最佳無線用戶終端接入無人機中繼網(wǎng)絡進行通信。

將本發(fā)明所設計的面向無人機中繼網(wǎng)絡的用戶調(diào)度與功率分配聯(lián)合優(yōu)化方法，應用到具體實施例上，針對應急通信場景，實現(xiàn)無線用戶終端與控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，具體應用如下：

給定時隙ts的總發(fā)射功率pt，其中c為光速，取值為3×10⁸m/s，fc的取值為2×10⁹hz，ζlos取值為1db,ζnlos取值為20db，α取值為9.6，β取值為0.28，飛行高度h取為100m，噪聲n0＝1.38×10^-23×(273.15+20)，無人機與無線用戶終端產(chǎn)生的俯仰角θs取為0.1π，無人機與控制中心產(chǎn)生的俯仰角θc取為0.05π，無線用戶終端在時隙ts發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，發(fā)射功率為psu，無人機作為中繼節(jié)點，發(fā)射功率為puc，在滿足psu+puc＝pt(pt為總功率)的情況下，分別采用本發(fā)明設計方法與現(xiàn)有的平均分配總功率方法，如圖3所示，為兩種方法應用下的對比示意圖，可以看出，應用本發(fā)明所設計方法對應的信道容量明顯高于現(xiàn)有方法的應用。

上面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。