CN107040982B - 一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，适用于应急场景下，无线用户终端与控制中心之间的数据传输，其中，利用无人机作为中继节点，在给定两跳总功率受限的约束条件下，本发明通过对两条链路的功率资源进行优化分配，使信道容量达到最大值。与此同时，在多用户场景下，本发明将联合考虑用户调度与功率分配，选择信道质量最好的用户接入无人机中继网络，并对其进行相应的功率分配优化。通过与传统平均功率分配方法比较，本发明提出的功率分配方法显著提高了无人机中继传输容量。

Description

一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化 方法

技术领域

本发明涉及一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

近年来，规模庞大的自然灾害时有发生，不仅造成了严重的社会影响，同时也带来了极大的经济损失，因而受到了各级政府和社会各界的高度重视和广泛关注。然而，在地震、雪灾等各种自然灾害发生后，往往会出现交通受阻、电力中断、通信传输线路大面积瘫痪等不利情况，这给应急救援行动带来严重阻碍。此时，快速建立相应的应急通信指挥网就显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，通过优化分配无线用户终端、无人机和控制中心之间的功率资源，在总功率一定的条件下，最大化系统传输容量。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，以无人机作为中继节点构成中继网络，分别在各个通信时隙中，执行如下步骤，选择最佳无线用户终端接入无人机中继网络，基于无人机中继节点，经两条通信链路与控制中心进行通信；

步骤A.分别针对各个待选无线用户终端，获得假设待选无线用户终端接入无人机中继网络中，该待选无线用户终端所获分配信道的状态信息；

步骤B.分别针对各个待选无线用户终端，基于待选无线用户终端假设接入无人机中继网络中，所获分配信道的状态信息，按两条通信链路，获得该待选无线用户终端所对应的总信道容量，进而获得各个待选无线用户终端分别假设接入无人机中继网络中所对应的总信道容量；

步骤C.选择最大总信道容量所对应的待选无线用户终端作为最佳无线用户终端，将最佳无线用户终端接入无人机中继网络进行通信。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤A中，分别针对各个待选无线用户终端，假设待选无线用户终端接入无人机中继网络中，根据如下过程，获得该待选无线用户终端所获分配信道的状态信息；

分别针对待选无线用户终端S到无人机中继节点U，以及无人机中继节点U到控制中心C两条两条通信链路，分别根据如下公式：

θ＝tan^-1(h/R)

P(NLOS)＝1-P(LOS)

获得各条通信链路分别所对应的G_LOS和G_NLOS，然后分别针对各条通信链路，根据通信链路所对应的G_LOS和G_NLOS，以概率P(LOS)取到G_LOS，以及以概率P(NLOS)取到G_NLOS，求得通信链路的大尺度损耗系数，即获得待选无线用户终端S到无人机中继节点U之间的大尺度损耗因子G_su，以及无人机中继节点U到控制中心C之间的大尺度损耗因子G_uc；其中，c为光速，f_c为载波频率，d为对应传输距离，G_LOS和G_NLOS分别表示视距传播LOS和非视距传播NLOS下的平均路径损耗，ζ_LOS和ζ_NLOS分别表示视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，P(LOS)和P(NLOS)分别表示产生视距传播和非视距传播的概率，α和β是与环境有关的常数，θ表示无人机产生的俯仰角，R表示无人机在地面的覆盖范围；

同时，获得待选无线用户终端S到无人机中继节点U之间的小尺度衰落因子h_su，以及无人机中继节点U到控制中心C之间的小尺度衰落因子h_uc。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B中，分别针对各个待选无线用户终端，执行如下步骤，基于待选无线用户终端假设接入无人机中继网络中，所获分配信道的状态信息，按两条通信链路，获得该待选无线用户终端所对应的总信道容量，进而获得各个待选无线用户终端分别假设接入无人机中继网络中所对应的总信道容量；

如下公式所示：

P_s＝|h_su|²G_suP_su

P_c＝|h_uc|²G_ucP_uc

其中，P_s表示待选无线用户终端S的信号功率，P_c表示控制中心C的信号功率，γ₁表示待选无线用户终端S的信噪比，γ₂表示控制中心C的信号功率，N₀表示噪声功率谱密度；P_su表示待选无线用户终端S的发射功率，P_uc表示无人机的发射功率；

根据如下香农公式：

其中，C_su表示待选无线用户终端S到无人机中继节点U通信链路的信道容量，C_uc表示无人机中继节点U到控制中心C通信链路的信道容量；

在AF机制下，基于待选无线用户终端S的发射功率P_t给定，优化问题转化为：

s.t P_su+P_uc＝P_t

优化目标又可以转换为：

s.t P_su+P_uc＝P_t

构造拉格朗日函数L：

其中L(P_su,P_uc,λ)表示拉格朗日乘子；

根据如下公式：

|h_su|²G_su＝k₁

|h_uc|²G_uc＝k₂

求得待选无线用户终端S到无人机中继节点U通信链路的总衰落系数k₁，以及无人机中继节点U到控制中心C通信链路的总衰落系数k₂；

分别对各个自变量以及λ求偏导数并使其等于零，得乘子的表达式为

进一步获得待选无线用户终端S的发射功率P_su，以及无人机的发射功率P_uc：

则待选无线用户终端S经过两条通信链路后所产生的总信道容量C_i为：

其中，n表示待选无线用户终端的数量。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C中，根据如下公式：

选择最大总信道容量所对应的待选无线用户终端作为最佳无线用户终端，将最佳无线用户终端接入无人机中继网络进行通信。

本发明所述一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，在总功率一定的情况下，对功率进行了分配，提高了信道容量，并且针对用户进行调度，在应急场景下确保了有用户能接入信道，更符合实际情况，不仅如此，无人机的应用，具有部署方便，机动灵活，不受复杂地形和障碍物的限制；并且成本低廉、可靠性高；实际通信适用性强、信息传输质量高。

附图说明

图1是本发明所设计面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法的架构示意图；

图2是本发明所设计面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法的流程示意图；

图3是在发射总功率不同的情况下，平均功率分配方案与本发明方案的信道容量仿真图对比示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

无人机具有体积小、造价低、使用方便、对环境要求低和生存能力较强等优点，在地面交通受阻的情况下可通过空中路径快速到达灾难现场，并建立相应的应急通信网络，无人机通信系统，通过利用无人机作为中继节点，可以将无线用户终端接入到控制中心，在应急场景下获得较好的通信质量，满足灾区人民的应急通信需求。

无人机中继通信系统利用无人机作为空中平台，并通过其搭载的通信中继设备，在空中转发地面通信设备之间的数据信息。借助于无人机空中平台的中继作用，可以快速建立相应的通信链路，并且不受灾区地形的限制，实现越障可靠通信。相对于传统地面通信网络，无人机中继通信系统的优势主要包括：1)部署方便，机动灵活；2)不受复杂地形和障碍物的限制；3)成本低廉、可靠性高；4)通信设备适用性强、信息传输质量高。

随着无人机技术的不断发展，无人机中继通信必将成为解决复杂地形环境下通信瓶颈问题的一种有效手段，在未来的通信系统中发挥重要作用。与此同时，在给定总功率受限的约束条件下，解决无线用户终端、无人机和控制中心之间的功率分配优化问题，对于无人机传输容量的提升具有重要意义。

如图1和图2所示，本发明设计了一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，实际应用中，以无人机作为中继节点构成中继网络，分别在各个通信时隙中，执行如下具体步骤，选择最佳无线用户终端接入无人机中继网络，基于无人机中继节点，经两条通信链路与控制中心进行通信；

在无人机中继通信系统中，无线信道不仅具有大尺度损耗和小尺度衰落，同时无线用户终端的俯仰角也将对无人机信道衰落带来额外的影响，所以首先获得所分配信道的状态信息。

步骤A.分别针对各个待选无线用户终端，假设待选无线用户终端接入无人机中继网络中，根据如下过程，获得该待选无线用户终端所获分配信道的状态信息。

分别针对待选无线用户终端S到无人机中继节点U，以及无人机中继节点U到控制中心C两条两条通信链路，分别根据如下公式：

θ＝tan^-1(h/R)

P(NLOS)＝1-P(LOS)

获得各条通信链路分别所对应的G_LOS和G_NLOS，然后分别针对各条通信链路，根据通信链路所对应的G_LOS和G_NLOS，以概率P(LOS)取到G_LOS，以及以概率P(NLOS)取到G_NLOS，求得通信链路的大尺度损耗系数，即获得待选无线用户终端S到无人机中继节点U之间的大尺度损耗因子G_su，以及无人机中继节点U到控制中心C之间的大尺度损耗因子G_uc；其中，c为光速，f_c为载波频率，d为对应传输距离，G_LOS和G_NLOS分别表示视距传播LOS(Line ofsight)和非视距传播NLOS(Non-Line of sight)下的平均路径损耗，ζ_LOS和ζ_NLOS分别表示视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，P(LOS)和P(NLOS)分别表示产生视距传播和非视距传播的概率，α和β是与环境有关的常数，θ表示无人机产生的俯仰角，R表示无人机在地面的覆盖范围。

同时，获得待选无线用户终端S到无人机中继节点U之间的小尺度衰落因子h_su，以及无人机中继节点U到控制中心C之间的小尺度衰落因子h_uc。

为计算出两条通信链路的信道容量，首先应当计算出待选无线用户终端，以及控制中心的信噪比，同时考虑到大尺度损耗和小尺度衰落对无线信道带来的影响，待选无线用户终端的信号功率，以及控制中心的信号功率，因此执行如下步骤B。

步骤B.分别针对各个待选无线用户终端，执行如下步骤，基于待选无线用户终端假设接入无人机中继网络中，所获分配信道的状态信息，按两条通信链路，获得该待选无线用户终端所对应的总信道容量，进而获得各个待选无线用户终端分别假设接入无人机中继网络中所对应的总信道容量。

如下公式所示：

P_s＝|h_su|²G_suP_su

P_c＝|h_uc|²G_ucP_uc

其中，P_s表示待选无线用户终端S的信号功率，P_c表示控制中心C的信号功率，γ₁表示待选无线用户终端S的信噪比，γ₂表示控制中心C的信号功率，N₀表示噪声功率谱密度；P_su表示待选无线用户终端S的发射功率，P_uc表示无人机的发射功率。

根据如下香农公式：

其中，C_su表示待选无线用户终端S到无人机中继节点U通信链路的信道容量，C_uc表示无人机中继节点U到控制中心C通信链路的信道容量。

采用AF方式进行功率前传，因此，无人机中继节点U所接收到的信号y_u和控制中心C所接收到的信号y_c可以分别表示为：

y_u＝h_sus+n_u

无人机中继节点U到控制中心C之间的信噪比为：

其中，为放大系数，为无线终端S的信噪比。

在AF机制下，基于待选无线用户终端S的发射功率P_t给定，优化问题转化为：

s.t P_su+P_uc＝P_t

优化目标又可以转换为：

s.t P_su+P_uc＝P_t

证明函数是一个凸函数，利用Hesse矩阵来证明，证明过程如下：

Hesse矩阵为：

由于γ₁＞0,γ₂＞0，所以4γ₁ ^-3γ₂ ^-3＞0，因此，Hesse矩阵正定，此函数一定是一个凸函数。采用拉格朗日乘子法来解决这个最优化问题，构造拉格朗日函数L：

其中L(P_su,P_uc,λ)表示拉格朗日乘子。

根据如下公式：

|h_su|²G_su＝k₁

|h_uc|²G_uc＝k₂

求得待选无线用户终端S到无人机中继节点U通信链路的总衰落系数k₁，以及无人机中继节点U到控制中心C通信链路的总衰落系数k₂。

分别对各个自变量以及λ求偏导数并使其等于零，得乘子的表达式为

进一步获得待选无线用户终端S的发射功率P_su，以及无人机的发射功率P_uc：

则待选无线用户终端S经过两条通信链路后所产生的总信道容量C_i为：

其中，n表示待选无线用户终端的数量。

步骤C.所述步骤C中，根据如下公式：

选择最大总信道容量所对应的待选无线用户终端作为最佳无线用户终端，将最佳无线用户终端接入无人机中继网络进行通信。

将本发明所设计的面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，应用到具体实施例上，针对应急通信场景，实现无线用户终端与控制中心之间的数据传输，具体应用如下：

给定时隙T_s的总发射功率P_t，其中c为光速，取值为3×10⁸m/s，f_c的取值为2×10⁹Hz，ζ_LOS取值为1dB,ζ_NLOS取值为20dB，α取值为9.6，β取值为0.28，飞行高度h取为100m，噪声N₀＝1.38×10^-23×(273.15+20)，无人机与无线用户终端产生的俯仰角θ_s取为0.1π，无人机与控制中心产生的俯仰角θ_c取为0.05π，无线用户终端在时隙T_s发送数据信息时，发射功率为P_su，无人机作为中继节点，发射功率为P_uc，在满足P_su+P_uc＝P_t(P_t为总功率)的情况下，分别采用本发明设计方法与现有的平均分配总功率方法，如图3所示，为两种方法应用下的对比示意图，可以看出，应用本发明所设计方法对应的信道容量明显高于现有方法的应用。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，其特征在于：以无人机作为中继节点构成中继网络，分别在各个通信时隙中，执行如下步骤，选择最佳无线用户终端接入无人机中继网络，基于无人机中继节点，经两条通信链路与控制中心进行通信；步骤A.分别针对各个待选无线用户终端，假设待选无线用户终端接入无人机中继网络中，根据如下过程，获得该待选无线用户终端所获分配信道的状态信息；

分别针对待选无线用户终端S到无人机中继节点U，以及无人机中继节点U到控制中心C两条两条通信链路，分别根据如下公式：

θ＝tan^-1(h/R)

P(NLOS)＝1-P(LOS)

获得各条通信链路分别所对应的G_LOS和G_NLOS，然后分别针对各条通信链路，根据通信链路所对应的G_LOS和G_NLOS，以概率P(LOS)取到G_LOS，以及以概率P(NLOS)取到G_NLOS，求得通信链路的大尺度损耗系数，即获得待选无线用户终端S到无人机中继节点U之间的大尺度损耗因子G_su，以及无人机中继节点U到控制中心C之间的大尺度损耗因子G_uc；其中，c为光速，f_c为载波频率，d为对应传输距离，h表示无人机到地面的高度，G_LOS和G_NLOS分别表示视距传播LOS和非视距传播NLOS下的平均路径损耗，ζ_LOS和ζ_NLOS分别表示视距传播和非视距传播相对自由空间所带来的额外传播损耗，P(LOS)和P(NLOS)分别表示产生视距传播和非视距传播的概率，α和β是与环境有关的常数，θ表示无人机产生的俯仰角，R表示无人机在地面的覆盖范围；

同时，获得待选无线用户终端S到无人机中继节点U之间的小尺度衰落因子h_su，以及无人机中继节点U到控制中心C之间的小尺度衰落因子h_uc；

步骤B.分别针对各个待选无线用户终端，基于待选无线用户终端假设接入无人机中继网络中，所获分配信道的状态信息，按两条通信链路，获得该待选无线用户终端所对应的总信道容量，进而获得各个待选无线用户终端分别假设接入无人机中继网络中所对应的总信道容量；

步骤C.选择最大总信道容量所对应的待选无线用户终端作为最佳无线用户终端，将最佳无线用户终端接入无人机中继网络进行通信。

2.根据权利要求1所述一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，其特征在于，所述步骤B中，分别针对各个待选无线用户终端，执行如下步骤，基于待选无线用户终端假设接入无人机中继网络中，所获分配信道的状态信息，按两条通信链路，获得该待选无线用户终端所对应的总信道容量，进而获得各个待选无线用户终端分别假设接入无人机中继网络中所对应的总信道容量；

如下公式所示：

P_s＝|h_su|²G_suP_su

P_c＝|h_uc|²G_ucP_uc

其中，P_s表示待选无线用户终端S的信号功率，P_c表示控制中心C的信号功率，γ₁表示待选无线用户终端S的信噪比，γ₂表示控制中心C的信号功率，N₀表示噪声功率谱密度；P_su表示待选无线用户终端S的发射功率，P_uc表示无人机的发射功率；

根据如下香农公式：

其中，C_su表示待选无线用户终端S到无人机中继节点U通信链路的信道容量，C_uc表示无人机中继节点U到控制中心C通信链路的信道容量；

在AF机制下，基于待选无线用户终端S的发射功率P_t给定，优化问题转化为：

s.t P_su+P_uc＝P_t

优化目标又可以转换为：

s.t P_su+P_uc＝P_t

构造拉格朗日函数L：

其中L(P_su,P_uc,λ)表示拉格朗日乘子；

根据如下公式：

|h_su|²G_su＝k₁

|h_uc|²G_uc＝k₂

求得待选无线用户终端S到无人机中继节点U通信链路的总衰落系数k₁，以及无人机中继节点U到控制中心C通信链路的总衰落系数k₂；

分别对各个自变量以及λ求偏导数并使其等于零，得乘子的表达式为

进一步获得待选无线用户终端S的发射功率P_su，以及无人机的发射功率P_uc：

则待选无线用户终端S经过两条通信链路后所产生的总信道容量C_i为：

其中，n表示待选无线用户终端的数量。

3.根据权利要求2所述一种面向无人机中继网络的用户调度与功率分配联合优化方法，其特征在于，所述步骤C中，根据如下公式：

选择最大总信道容量所对应的待选无线用户终端作为最佳无线用户终端，将最佳无线用户终端接入无人机中继网络进行通信。