CN109905920B - 一种多无人机ofdm系统的载波与功率资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多无人机OFDM系统的载波与功率资源分配方法，该方法包括步骤：获取系统的可用载波资源，计算每个用户在每个载波上的信道权重，对每个用户根据信道权重对所有载波降序排列，形成该用户的待选载波集合；对每一个载波，根据其在各用户的待选载波集合种的位置设置载波启用条件，将载波分配给满足启用条件的用户；根据被启用载波资源的分配结果，获取系统中与被启用载波资源对应的传输功率资源，并将传输功率资源分配给系统中的用户。本发明能够在满足系统约束条件的前提下，快速完成载波与功率资源分配，并显著提升系统的总传输速率。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术，尤其涉及一种多无人机OFDM系统的载波与功率资源分配方法。
背景技术
近年来，无人机由于其高移动性、低成本等特性，已被广泛应用于数据采集、通信中继等领域。在上述任务中，无人机的传输数据量较大，需要使用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)等具有高传输速率的传输方式。在多无人机OFDM系统中，可用载波的数目常常有限，并且载波的信道状况也随环境因素变化，因此在系统中，载波和传输功率的分配并不固定，而要进行动态分配。现有的无人机通信系统资源分配方法常常需要利用凸优化技术(如子梯度下降法、连续凸近似、交替方向乘子法等)进行迭代，从而直接求解动态资源分配最优解，或者利用上述技术将原问题转化，利用注水算法求解。然而，这类方法通常需要较长的计算时间，难以满足无人机通信系统高度时变特性的动态需求。此外，现有的动态分配方法均假设所有载波资源均为可用载波资源，然而在实际的多无人机系统中，并非载波集合中的所有载波都可参与至动态分配中。某些固定的载波可能已被提前预分配，专门用于突发数据传输(如无人机遥控信号等)。这些信号的传输具有低延时特性，因此其对应的载波便不能参与到载波动态分配中。
针对上述问题，可以看出，现有技术中缺乏能够实现载波资源快速、高效分配，同时又能满足系统约束条件的分配方法。
发明内容
发明目的：为弥补现有技术的不足，提供一种能够在满足系统约束条件的前提下实现载波和功率资源快速、高效分配的方法，本发明提出一种多无人机OFDM系统的载波与功率资源分配方法。
发明内容：为实现上述目的，本发明提出一种多无人机OFDM系统的载波与功率资源分配方法，该方法包括以下步骤：
(1)获取所述多无人机OFDM系统中当前待分配资源的用户数K；获取所述多无人机OFDM系统中当前可用载波的总数N，将当前可用的N个载波归入载波集合U；
(2)计算每一个用户在U中的每个载波上的信道权重：
k＝1，2，…，K
n＝1，2，…，N
其中，ωk，n表示用户k在载波n上的信道权重，ak，n表示载波可用指示因子，用于指示载波n对于用户k来说是否是可以进行动态分配的载波；其中，ak，n＝1表示载波n对于用户k来说是可用的，ak，n＝0表示载波n对于用户k来说是不可用的；gk，n表示用户k在载波n上的信道功率增益，
表示用户k在载波n上的信道噪声功率；
(3)对每一个用户x，根据用户x在U中每个载波上的信道权重，对U中的所有载波进行降序排列，形成用户x的待选载波集合Rx；
(4)从U中随机选取一个载波n；
(5)获取载波n在K个用户的待选载波集合中的位置序号，选取位置序号最小的两个用户k和μ，记载波n在用户k的待选载波集合Rk中的排序为p，在用户μ的待选载波集合Rμ中的排序为q；
(6)对p和q进行判断，并根据判断结果执行不同步骤：
当p≤q且p＞M，或p≥q且q＞M时，对载波n不进行分配，从U中删除载波n，返回步骤(3)；M表示每个用户的最大可用载波数；
当p＜q且p≤M时，将载波n分配给用户k，并将ωk，n置0；从U中删除载波n，返回步骤(3)；
当p＞q且q≤M时，将载波n分配给用户μ，并将ωμ，n置0；重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；
当p＝q且p≤M时，判断ωk，n与ωμ，n的大小，若ωk，n＝ωμ，n，则将载波n随机分配给用户k和μ中的任意一个，若分配给用户k，则将ωk，n置0，若分配给用户μ，则将ωμ，n置0，然后重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；若ωk，n＞ωμ，n，则将载波n分配给用户k，并将ωk，n置0，重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；若ωk，n＜ωμ，n，则将载波n分配给用户μ，并将ωμ，n置0，重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；
(7)重复执行步骤(3)至(6)，直至所有载波都分配完毕或每一个用户分配到的载波数量都达到最大可用载波数M；
(8)步骤(7)结束后，根据载波分配结果，对每个被启用的载波进行功率分配，分配的方法为：
其中，pk，n表示用户k在分配给自己的载波n上的传输功率，sk，n表示被启用指示因子，sk，n＝0表示载波n没有被分配给用户k，sk，n＝1表示载波n被分配给用户k，vk表示针对最大功率约束条件的拉格朗日乘子，vk通过求解以下公式得到：
其中，Pmax表示每个用户的最大传输功率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本发明通过获取系统的可用载波资源对应的信道权重集合，使得存在不可动态分配载波的系统可进行快速的载波分配与功率分配，其能够快速完成多无人机OFDM系统的载波与功率分配，从而显著提升系统的总传输速率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明所述的多无人机OFDM系统的载波与功率资源分配方法的一种场景示意图；
图3为同一个载波n在用户k和用户μ的待选载波集合中的位置情况；其中，图3(a)表示p＜M＜q，图3(b)表示p＜q＜M，图3(c)表示p＝q，p＜M，图3(d)表示q＜M＜p，图3(e)表示q＜p＜M。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例的流程示意图，包括以下步骤：
(1)获取所述多无人机OFDM系统中当前待分配资源的用户数K；获取所述多无人机OFDM系统中当前可用载波的总数N，将当前可用的N个载波归入载波集合U；这N个载波中对于每一个用户，会有不同的载波由于需要预先预留等原因不可动态分配；我们通过设置一个载波可用指示因子来区分这些载波对于每一个用户是否可用，ak，n表示载波可用指示因子，用于指示载波n对于用户k来说是否是可以进行动态分配的载波；其中，ak，n＝1表示载波n对于用户k来说是可用的，ak，n＝0表示载波n对于用户k来说是不可用的；
(2)计算每一个用户在U中的每个载波上的信道权重：
k＝1，2，…，K
n＝1，2，…，N
其中，ωk，n表示用户k在载波n上的信道权重；gk，n表示用户k在载波n上的信道功率增益，
表示用户k在载波n上的信道噪声功率；
(3)对每一个用户x，根据用户x在U中每个载波上的信道权重，对U中的所有载波进行降序排列，形成用户x的待选载波集合Rx；
(4)从U中随机选取一个载波n；
(5)获取载波n在K个用户的待选载波集合中的位置序号，选取位置序号最小的两个用户k和μ，记载波n在用户k的待选载波集合Rk中的排序为p，在用户μ的待选载波集合Rμ中的排序为q；同一个载波n在用户k和用户μ的待选载波集合中的位置情况包括以下几种：①M≤p＜q，②p＜M＜q，③p＜q≤M，④p＝q，p＜M，⑤p＝q＝M，⑥p＝q，p＞M，⑦M≤q＜p，⑧q＜M＜p，⑨q＜p≤M
为了便于理解，图3给出了几种情况的示意图，其中，图3(a)表示p＜M＜q，图3(b)表示p＜q＜M，图3(c)表示p＝q，p＜M，图3(d)表示q＜M＜p，图3(e)表示q＜p＜M。
(6)对p和q进行判断，并根据判断结果执行不同步骤：
当p≤q且p＞M，或p≥q且q＞M时，对载波n不进行分配，从U中删除载波n，返回步骤(3)；M表示每个用户的最大可用载波数；
当p＜q且p≤M时，将载波n分配给用户k，并将ωk，n置0；从U中删除载波n，返回步骤(3)；
当p＞q且q≤M时，将载波n分配给用户μ，并将ωμ，n置0；重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；
当p＝q且p≤M时，判断ωk，n与ωμ，n的大小，若ωk，n＝ωμ，n，则将载波n随机分配给用户k和μ中的任意一个，若分配给用户k，则将ωk，n置0，若分配给用户μ，则将ωμ，n置0，然后重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；若ωk，n＞ωμ，n，则将载波n分配给用户k，并将ωk，n置0，重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；若ωk，n＜ωμ，n，则将载波n分配给用户μ，并将ωμ，n置0，重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；
(7)重复执行步骤(3)至(6)，直至所有载波都分配完毕或每一个用户分配到的载波数量都达到最大可用载波数M；
(8)步骤(7)结束后，根据载波分配结果，对每个被启用的载波进行功率分配，分配的方法为：
其中，pk，n表示用户k在分配给自己的载波n上的传输功率，sk，n表示被启用指示因子，sk，n＝0表示载波n没有被分配给用户k，sk，n＝1表示载波n被分配给用户k，vk表示针对最大功率约束条件的拉格朗日乘子，vk通过求解以下公式得到：
其中，Pmax表示每个用户的最大传输功率。
最后说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (1)
1.一种多无人机OFDM系统的载波与功率资源分配方法，其特征在于，包括步骤：
(1)获取所述多无人机OFDM系统中当前待分配资源的用户数K；获取所述多无人机OFDM系统中当前可用载波的总数N，将当前可用的N个载波归入载波集合U；
(2)计算每一个用户在U中的每个载波上的信道权重：
k＝1,2,…,K
n＝1,2,…,N
其中，ωk,n表示用户k在载波n上的信道权重，ak,n表示载波可用指示因子，用于指示载波n对于用户k来说是否是可以进行动态分配的载波；其中，ak,n＝1表示载波n对于用户k来说是可用的，ak,n＝0表示载波n对于用户k来说是不可用的；gk,n表示用户k在载波n上的信道功率增益，
表示用户k在载波n上的信道噪声功率；
(3)对每一个用户x，根据用户x在U中每个载波上的信道权重，对U中的所有载波进行降序排列，形成用户x的待选载波集合Rx；
(4)从U中随机选取一个载波n；
(5)获取载波n在K个用户的待选载波集合中的位置序号，选取位置序号最小的两个用户ν和μ，记载波n在用户ν的待选载波集合Rν中的排序为p，在用户μ的待选载波集合Rμ中的排序为q；
(6)对p和q进行判断，并根据判断结果执行不同步骤：
当p≤q且p＞M，或p≥q且q＞M时，对载波n不进行分配，从U中删除载波n，返回步骤(3)；M表示每个用户的最大可用载波数；
当p＜q且p≤M时，将载波n分配给用户ν，并将ων,n置0；从U中删除载波n，返回步骤(3)；
当p＞q且q≤M时，将载波n分配给用户μ，并将ωμ,n置0；重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；
当p＝q且p≤M时，判断ων,n与ωμ,n的大小，若ων,n＝ωμ,n，则将载波n随机分配给用户ν和μ中的任意一个，若分配给用户ν，则将ων,n置0，若分配给用户μ，则将ωμ,n置0，然后重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；若ων,n＞ωμ,n，则将载波n分配给用户ν，并将ων,n置0，重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；若ων,n＜ωμ,n，则将载波n分配给用户μ，并将ωμ,n置0，重新随机选取一个载波n，返回步骤(3)；
(7)重复执行步骤(3)至(6)，直至所有载波都分配完毕或每一个用户分配到的载波数量都达到最大可用载波数M；
(8)步骤(7)结束后，根据载波分配结果，对每个被启用的载波进行功率分配，分配的方法为：
其中，pk,n表示用户k在分配给自己的载波n上的传输功率，sk,n表示被启用指示因子，sk,n＝0表示载波n没有被分配给用户k，sk,n＝1表示载波n被分配给用户k，νk表示针对最大功率约束条件的拉格朗日乘子，νk通过求解以下公式得到：
其中，Pmax表示每个用户的最大传输功率。
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