CN113301532A - 一种用于无人机辅助毫米波应急通信网的信道分配方法 - Google Patents

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CN113301532A CN202110578505.6A CN202110578505A CN113301532A CN 113301532 A CN113301532 A CN 113301532A CN 202110578505 A CN202110578505 A CN 202110578505A CN 113301532 A CN113301532 A CN 113301532A
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Abstract

本发明公开了一种无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，包括建立无人机辅助应急通信网络架构；提取无人机辅助应急通信网络架构中的参数；构建干扰图；重复步骤S2‑S3，直到分配所有信道。本发明利用了波束训练技术以实现无人机与地面终端收发器之间的波束对齐，地面终端也因此可以从无人机处以点对点的方式接收到紧急信息。同时，为了保证无人机能与尽可能多的地面终端建立通信连接，在频谱资源非常有限的情况下，本发明提出了一种可行的、有效的信道分配方法。

Description

一种用于无人机辅助毫米波应急通信网的信道分配方法
技术领域
本发明属于无线网络信道分配领域，具体涉及一种无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法。
背景技术
在发生严重自然灾害的地区，地面基站遭受破坏，无线通信网的性能被严重削弱甚至瘫痪，而救灾需要通信网来发布应急通告消息、收集灾区信息、沟通人际交互。因此，在受灾地区尽快修复受损的基站或者寻求其它方法尽快搭建应急通信网络是十分必要的。
搭载空中基站的无人机可以方便地与地面终端建立视距通信连接，且具有良好的移动可控性以及成本可承受性等特征，为失去与地面基站通信连接的地面终端提供通信服务。然而，为了快速建立起一个有效的应急无线通信网络，可靠的信道资源是必不可少的。但是，信道资源是稀缺的，需要对可用的有限信道资源进行合理、高效的管理，以提升信道资源的利用率。在网络拓扑动态变化的环境下，对信道分配方法的收敛速度和鲁棒性的要求更苛刻，因此，增加了该环境下有效分配信道资源的难度。文献[B.W.Wang,Y.J.Sun,N.Zhao,G.Gui,“Learn to coloring:fast response to perturbation in UAV-assisteddisaster relief networks,”IEEE Transactions on Vehicular Technology,DOI10.1109/TVT.2020.2967124.]进行了探讨，首次将动态图着色技术引入无人机辅助应急通信网络中来探索解决复杂的动态信道分配问题的方法，然而，这种方法只关注传统的6GHz以下频段的无人机辅助应急通信网络的信道分配问题。传统的6GHz以下频段单跳通信距离虽然长且信道质量好，但频谱资源非常有限。因此，只依赖6GHz以下频段通信很难满足建立一个高速率应急通信网络的需要。同时，现在的分配方式较为复杂，难以实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，该方法采用毫米波频段用于保证无人机与地面终端之间的高速数据传输，传输过程可靠、高效。
本发明提供的这种无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，包括如下步骤：
S1.建立无人机辅助应急通信网络架构；
S2.提取无人机辅助应急通信网络架构中的参数；
S3.构建干扰图；
S4.进行信道分配，并用分配后的信道进行通信。
步骤S1，无人机辅助应急通信网络架构具体包括一台主无人机和若干台从无人机；主无人机和若干台从无人机搭载基站作为飞行基站，为地面终端提供通信服务；其中主无人机用于接收从无人机的反馈信息，执行计算操作并将结果发送给从无人机；从无人机则用于为地面终端提供通信服务。
无人机辅助毫米波通信中，使用波束成形模式，表达式如下：
Figure BDA0003085158340000021
其中，
Figure BDA0003085158340000022
为基础定向发射-接收增益；
Figure BDA0003085158340000023
为用弧度表示的主瓣波束宽度；ω为用弧度表示的主瓣波束偏移角；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1；
无人机或地面终端在任意切面上的波束个数定义为nb：
Figure BDA0003085158340000024
其中，
Figure BDA0003085158340000025
为无人机或地面终端的最大波束宽度。
步骤S3，具体包括如下步骤：
A1.初始化全局参数，K＝Card(L(t))；链路集L(t)为在时刻t处，经过波束训练机制所获得的毫米波链路集合；将在时刻t处，经过波束训练机制所获得的毫米波链路总数保存在变量K中；
A2.初始化顶点集AL(t)为空集；
A3.初始化边集Aw(t)为空集；
A4.对链路集L(t)中每条链路的能效{ei,m(t)|i→m∈L(t)}进行降序排序，并存进
Figure BDA0003085158340000031
中；
A5.设xi,m为毫米波链路i→m的整型变量，若地面终端m与无人机i建立了通信连接，则xi,m＞0；否则，xi,m＝0；初始化矩阵X＝{xi,m|i→m∈L(t)}，矩阵中的元素表示链路，元素值表示该链路被分配到的信道编号，将元素值初始化为0以表示未分配信道，X＝{x1＝0,...,xk＝0,...,xK＝0}，xk与xi,m一一对应，同时xk与qk一一对应；
A6.初始化集合
Figure BDA0003085158340000032
内元素值qk的索引下标k＝1，同时选取q1所对应的链路，计算系统初始能效E1(t)，并为第一条链路分配一号信道，x1＝1；
A7.由x1找到对应的xi,m；
A8.根据xi,m获得无人机编号i以及地面终端编号m；
A9.将第一条链路i→m加入顶点集AL(t)；
A10.更新qk的索引下标k，同时继续选取qk所对应的链路，并计算系统新能效Ek(t)；
A11.判断系统新能效Ek(t)是否大于ρE1(t)，若是，则说明第k条链路能与网络内的链路共存，该链路不构成干扰图中的独立顶点，进入步骤A12，否则说明第k条链路不能与网络内的链路共存，该链路暂时构成干扰图中的独立顶点，进入步骤A13；
A12.将第k条链路的信道编号设为1，xk＝1，然后进行步骤A17；
A13.由xk找到对应的xj,n；
A14.根据xj,n获得无人机编号j以及地面终端编号n；
A15.将链路j→n所表示的顶点加入到顶点集AL(t)；
A16.将(i→m,j→n)所表示的边加入到边集Aw(t)；不能共存的链路构成干扰边；
A17.判断集合
Figure BDA0003085158340000033
内元素值qk的索引下标k是否小于集合
Figure BDA0003085158340000034
的元素个数K，若是，则说明集合
Figure BDA0003085158340000035
未索引完毕，返回步骤A10，否则进入步骤A18；
A18.输出干扰图AIG(t)＝(AL(t),Aw(t))，AL(t)为图的顶点集合，Aw(t)为图的边集合。
步骤A4中，在毫米波网络中，能效ei,m(t)的计算方法为：
Figure BDA0003085158340000041
其中，ei,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m的能效；
Figure BDA0003085158340000042
为在时刻t时毫米波链路i→m的信号噪声比；
Figure BDA0003085158340000043
为毫米波链路i→m的发射功率；PRF为一条射频链路的功耗；
在时刻t时，对于经波束训练机制所获得的i→m毫米波链路，信号噪声比
Figure BDA0003085158340000044
由以下公式计算得出：
Figure BDA0003085158340000045
其中，
Figure BDA0003085158340000046
为在时刻t时毫米波链路i→m的接收功率；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
在时刻t时，毫米波链路i→m的接收功率
Figure BDA0003085158340000047
具体为：
Figure BDA0003085158340000048
其中，
Figure BDA0003085158340000049
为毫米波链路i→m的发射功率；
Figure BDA00030851583400000410
为毫米波链路i→m的定向发射增益；
Figure BDA00030851583400000411
为毫米波链路i→m的定向接收增益；
Figure BDA00030851583400000412
为在时刻t时毫米波链路i→m的平均信道增益；
计算毫米波链路i→m的定向发射增益
Figure BDA00030851583400000413
Figure BDA00030851583400000414
其中，
Figure BDA00030851583400000415
为发射端用弧度表示的主瓣波束宽度；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1；计算毫米波链路i→m的定向接收增益
Figure BDA00030851583400000416
Figure BDA00030851583400000417
其中，
Figure BDA00030851583400000418
为接收端用弧度表示的主瓣波束宽度；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的平均信道增益
Figure BDA00030851583400000419
为
Figure BDA0003085158340000051
其中，λ为波长，λ＝c/fc，fc为载波频率；δ(·)表示狄拉克三角函数；di,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离；τ为传播时延；c为光速；Γ为毫米波反射路径的反射系数；
Figure BDA0003085158340000052
为在时刻t时毫米波链路i→m的非视距概率；
Figure BDA0003085158340000053
为在时刻t时毫米波链路i→m的视距概率；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的视距概率
Figure BDA0003085158340000054
为：
Figure BDA0003085158340000055
其中，b1和b2为环境常量；θi,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m的倾斜角；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的非视距概率
Figure BDA0003085158340000056
为：
Figure BDA0003085158340000057
其中，
Figure BDA0003085158340000058
为毫米波链路i→m的视距概率；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的倾斜角θi,m(t)为：
Figure BDA0003085158340000059
其中，
Figure BDA00030851583400000510
为无人机i在t时刻立体直角坐标系中的z坐标；
Figure BDA00030851583400000511
为地面终端m在t时刻立体直角坐标系中的z坐标；di,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离；
其中，在时刻t时，毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离di,m(t)为：
Figure BDA00030851583400000512
其中，
Figure BDA00030851583400000513
为无人机i在t时刻立体直角坐标系中的坐标；
Figure BDA00030851583400000514
为地面终端m在t时刻立体直角坐标系中的坐标。
步骤A5还包括定义毫米波链路i→m的二进制变量Φ(xi,m)：
Figure BDA0003085158340000061
同时，定义毫米波链路j→n的二进制变量
Figure BDA0003085158340000062
xj,n为毫米波链路j→n的整型变量。
步骤A6，计算系统初始能效E1(t)，具体包括：
Figure BDA0003085158340000063
其中，R1(t)为在时刻t时毫米波链路的总数据率；PC1(t)为在时刻t时第一条毫米波链路的功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率R1(t)为：
Figure BDA0003085158340000064
其中，SU1表示第一条毫米波链路的无人机；GS1表示第一条毫米波链路的地面终端；
Figure BDA0003085158340000065
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000066
为地面终端集合；r1(t)为在时刻t时第一条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第一条毫米波链路的数据率r1(t)为：
Figure BDA0003085158340000067
Φ(x1)为第一条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure BDA0003085158340000068
为在时刻t时第一条毫米波链路的信号噪声比；
计算第一条毫米波链路的信号噪声比
Figure BDA0003085158340000069
Figure BDA00030851583400000610
其中，
Figure BDA00030851583400000611
为在时刻t时第一条毫米波链路的接收功率；
Figure BDA00030851583400000612
为在时刻t时第一条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(x1)为第一条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SU1表示第一条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GS1表示第一条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure BDA0003085158340000071
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000072
为地面终端集合；
步骤A10，计算系统新能效Ek(t)，具体包括：
Figure BDA0003085158340000073
其中，Rk(t)为在时刻t时，毫米波链路的总数据率；PCk(t)为在时刻t时，与Rk(t)相对应的系统总功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率Rk(t)为：
Figure BDA0003085158340000074
其中，SUk表示第k条毫米波链路的无人机；GSk表示第k条毫米波链路的地面终端；
Figure BDA0003085158340000075
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000076
为地面终端集合；rk(t)为在时刻t时第k条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第k条毫米波链路的数据率rk(t)为：
Figure BDA0003085158340000077
Φ(xk)为第k条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure BDA0003085158340000078
为在时刻t时第k条毫米波链路的信号噪声比；
计算第k条毫米波链路的信号噪声比
Figure BDA0003085158340000079
Figure BDA00030851583400000710
其中，
Figure BDA00030851583400000711
为在时刻t时第k条毫米波链路的接收功率；
Figure BDA00030851583400000712
为在时刻t时第k条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(xk)为第k条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SUk表示第k条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GSk表示第k条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure BDA00030851583400000713
为无人机集合；
Figure BDA00030851583400000714
为地面终端集合。
干扰功率的具体计算方法为，在时刻t时，地面终端m所接收到的干扰功率
Figure BDA00030851583400000715
为：
Figure BDA00030851583400000716
其中，
Figure BDA0003085158340000081
为毫米波链路j→n的发射功率；
Figure BDA0003085158340000082
为无人机j和地面终端m之间的定向发射增益；
Figure BDA0003085158340000083
为无人机j和地面终端m之间的定向接收增益；
Figure BDA0003085158340000084
为在t时刻时毫米波链路j→m的信道增益；
根据公式
Figure BDA0003085158340000085
Figure BDA0003085158340000086
为用弧度表示的主瓣波束宽度，ω为用弧度表示的主瓣波束偏移角，ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1，每条路径的定向发射-接收增益由以下公式得出：
Figure BDA0003085158340000087
其中，
Figure BDA0003085158340000088
为无人机j和地面终端m之间的定向发射增益；
Figure BDA0003085158340000089
为无人机j和地面终端m之间的定向接收增益；
Figure BDA00030851583400000810
为发射端用弧度表示的主瓣波束宽度；
Figure BDA00030851583400000811
为接收端用弧度表示的主瓣波束宽度；
Figure BDA00030851583400000812
为无人机j发射波束方向到地面终端m处的波束偏移角波束偏移角；
Figure BDA00030851583400000813
为地面终端m接收波束的方向到无人机j处的波束偏移角。
步骤S4，具体包括如下步骤：
B1.初始化全局变量，c＝2；c为信道编号索引变量，步骤S3在完成构建干扰图的同时，已对c＝1号信道分配完毕；
B2.初始化集合
Figure BDA00030851583400000814
为空集，集合
Figure BDA00030851583400000815
用于存储未分配信道链路的能效值；
B3.初始化K'为集合
Figure BDA00030851583400000816
的元素个数，初始化k＝0，k为集合
Figure BDA00030851583400000817
内元素值qk的索引下标；
B4.更新qk的索引下标，拟找出未被分配信道的链路；
B5.判断元素xk是否属于X且取值为零，若是，则说明第k条链路还没有被分配到合适的信道，进入步骤B6，否则，直接转入步骤B8；
B6.将集合
Figure BDA0003085158340000091
中第k条链路的能效qk加入到集合
Figure BDA0003085158340000092
中；
B7.更新集合
Figure BDA0003085158340000093
的元素个数；
B8.判断qk的索引下标k是否小于集合
Figure BDA0003085158340000094
的元素个数K，若是，说明集合
Figure BDA0003085158340000095
未索引完毕，返回步骤B4，否则进入步骤B9；
B9.对集合
Figure BDA0003085158340000096
中的元素值进行降序排序；
B10.初始化矩阵X'＝{x1＝0,...,xk'＝0,...,xK'＝0}，矩阵X'中元素所表示的链路与矩阵X以及集合
Figure BDA0003085158340000097
中元素所表示的链路一一对应，元素值为链路所被分配到的编号；
B11.设置集合
Figure BDA0003085158340000098
的qk'索引下标k'＝1，同时选取qk'所对应的链路，计算系统新能效Ek'(t)，并将第k'条链路的信道编号设为c；
B12.由xk'找到对应的xi,m；
B13.根据xi,m获得无人机标号i以及地面用户编号m；
B14.更新qk'的索引下标k'，同时继续选取qk'所对应的链路，并计算系统新能效Ek'(t)；
B15.判断系统新能效Ek'(t)是否大于ρE1(t)，若是，则说明第k'条链路能与网络内的链路共存，该链路不再在干扰图中充当独立的顶点，进入步骤B16，否则，说明第k'条链路不能与网络内的链路共存，进入步骤B20；
B16.为第k'号链路分配信道c，；
B17.由xk'找到对应的链路xi',m'；
B18.根据xi',m'获得无人机编号i'以及地面用户编号m'；
B19.将链路i'→m'所表示的顶点以及对应的边从干扰图AIG(t)中删除，然后进入步骤B23；
B20.由xk'找到对应的xj,n；
B21.根据xj,n获得无人机标号j以及地面用户编号n；
B22.将(i→m,j→n)所表示的边加入到边集Aw(t)；
B23.判断qk'的索引下标k'是否小于集合
Figure BDA0003085158340000101
的元素个数k'，若是，则说明集合
Figure BDA0003085158340000102
未索引完毕，返回步骤B14，否则进入步骤B24；
B24.判断集合X'中是否有元素的值为c，若是，在集合X中更新对应元素的值为c；
B25.判断集合X中是否有元素的值为0，若是，说明仍有链路未被分配信道，进入步骤B26；
B26.判断已分配的信道个数是否小于可用信道个数，若是，继续进行信道分配，更新元素的值c，并返回步骤B2，否则进入步骤B27；
B27.输出信道，并进行通信。
步骤B11，计算系统新能效Ek'(t)，具体包括：
Figure BDA0003085158340000103
其中，Rk'(t)为在时刻t时，毫米波链路的总数据率；PCk'(t)为在时刻t时，与Rk'(t)相对应的系统总功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率Rk'(t)为：
Figure BDA0003085158340000104
其中，SUk'表示第k'条毫米波链路的无人机；GSk'表示第k'条毫米波链路的地面终端；
Figure BDA0003085158340000105
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000106
为地面终端集合；rk'(t)为在时刻t时第k'条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第k'条毫米波链路的数据率rk'(t)为：
Figure BDA0003085158340000107
Φ(xk')为第k'条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure BDA0003085158340000108
为在时刻t时第k'条毫米波链路的信号噪声比；
计算第k'条毫米波链路的信号噪声比
Figure BDA0003085158340000109
Figure BDA00030851583400001010
其中，
Figure BDA00030851583400001011
为在时刻t时第k'条毫米波链路的接收功率；
Figure BDA00030851583400001012
为在时刻t时第k'条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(xk')为第k'条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SUk'表示第k'条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GSk'表示第k'条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure BDA0003085158340000111
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000112
为地面终端集合。
本发明提供的这种无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，利用了波束训练技术以实现无人机与地面终端收发器之间的波束对齐，地面终端也因此可以从无人机处以点对点的方式接收到紧急信息。同时，为了保证无人机能与尽可能多的地面终端建立通信连接，在频谱资源非常有限的情况下，本发明提出了一种可行的、有效的信道分配方法。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为本发明的网络架构示意图。
图3为本发明实施例的两种飞行轨迹的位置关系示意图。
图4为本发明实施例的系统的时槽结构示意图。
图5为本发明实施例的可共存的毫米波链路数量示意图。
图6为本发明实施例的总数据率示意图。
图7为本发明实施例的每条毫米波链路的平均数据率。
图8为本发明实施例的系统平均能效示意图。
具体实施方式
如图1为本发明方法的流程示意图：本发明提供的这种无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，包括如下步骤：
S1.建立无人机辅助应急通信网络架构；
S2.提取无人机辅助应急通信网络架构中的参数；
S3.构建干扰图；
S4.进行信道分配，并用分配后的信道进行通信。
所述的步骤S1，如图2为本发明的网络架构示意图，无人机辅助应急通信网络架构具体包括一台主无人机和若干台从无人机，主无人机和若干台从无人机搭载基站作为飞行基站，为地面终端提供通信服务；其中主无人机主要负责接收从无人机的反馈信息，执行计算操作并将结果发送给从无人机；从无人机则主要负责为地面终端提供通信服务。本发明假设所有的从无人机都在主无人机的信号覆盖范围内并由主无人机通过毫米波定向波束进行控制，每个地面终端在其周围选择一台无人机通过毫米波定向波束进行数据传输，同时再进一步假设每个地面终端都能够与所有的无人机进行6GHz以下频段通信，并且所有的无人机之间也可以相互进行6GHz以下频段通信；对于地面终端来说，当某个地面终端位于多架从无人机的波束覆盖范围内时，基于拟尽量降低系统内链路间干扰的考虑，该地面终端需要借助波束训练机制，从这些无人机中选出一架无人机与其进行匹配。而对于从无人机来说，相比于其它方向的波束，其垂直于地面的波束对于位于其覆盖范围地面终端来说总是最优选择。除此之外，由于每架无人机都配有多条射频链，因此对于由同一架从无人机和不同地面终端组成的毫米波链路，当被分配到不同的信道之后，无人机可以并发地进行数据传输而不会对彼此产生任何干扰。
无人机辅助毫米波通信中，本发明考虑使用波束成形模式，其表达式如下：
Figure BDA0003085158340000121
其中，
Figure BDA0003085158340000122
为用弧度表示的主瓣波束宽度；ω为用弧度表示的主瓣波束偏移角；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1；为了便于分析，本发明假设每台无人机以及每个地面终端在任意切面上存在有限数量的波束并且每个波束以不重叠的方式覆盖一个特定的方向。无人机或地面终端在任意切面上的波束个数定义为nb：
Figure BDA0003085158340000123
其中，
Figure BDA0003085158340000124
为无人机或地面终端的最大波束宽度。
所述的步骤S3，具体包括如下步骤：
A1.初始化全局参数，K＝Card(L(t))；链路集L(t)为在时刻t处，经过波束训练机制所获得的毫米波链路集合；将在时刻t处，经过波束训练机制所获得的毫米波链路总数保存在变量K中
A2.初始化顶点集AL(t)为空集，即
Figure BDA0003085158340000125
A3.初始化边集Aw(t)为空集，即
Figure BDA0003085158340000131
A4.对链路集L(t)中每条链路的能效{ei,m(t)|i→m∈L(t)}进行降序排序，并存进
Figure BDA0003085158340000132
中；
步骤A4中，在毫米波网络中，能效ei,m(t)的计算方法为：
Figure BDA0003085158340000133
其中，ei,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m的能效；
Figure BDA0003085158340000134
为在时刻t时毫米波链路i→m的信号噪声比；
Figure BDA0003085158340000135
为毫米波链路i→m的发射功率；PRF为一条射频链路的功耗；
在时刻t时，对于经波束训练机制所获得的每一条毫米波链路(比如i→m)，信号噪声比
Figure BDA0003085158340000136
由以下公式计算得出：
Figure BDA0003085158340000137
其中，
Figure BDA0003085158340000138
为在时刻t时毫米波链路i→m的接收功率；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
在时刻t时，毫米波链路i→m的接收功率
Figure BDA0003085158340000139
具体为：
Figure BDA00030851583400001310
其中，
Figure BDA00030851583400001311
为毫米波链路i→m的发射功率；
Figure BDA00030851583400001312
为毫米波链路i→m的定向发射增益；
Figure BDA00030851583400001313
为毫米波链路i→m的定向接收增益；
Figure BDA00030851583400001314
为在时刻t时毫米波链路i→m的平均信道增益。
计算毫米波链路i→m的定向发射增益
Figure BDA00030851583400001315
Figure BDA00030851583400001316
其中，
Figure BDA00030851583400001317
为发射端用弧度表示的主瓣波束宽度；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1；
计算毫米波链路i→m的定向接收增益
Figure BDA00030851583400001318
Figure BDA00030851583400001319
其中，
Figure BDA0003085158340000141
为接收端用弧度表示的主瓣波束宽度；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1。
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的平均信道增益
Figure BDA0003085158340000142
为
Figure BDA0003085158340000143
其中，λ为波长，λ＝c/fc，fc为载波频率；δ(·)表示狄拉克三角函数；di,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离；τ为传播时延；c为光速；Γ为毫米波反射路径的反射系数；
Figure BDA0003085158340000144
为在时刻t时毫米波链路i→m的非视距概率；
Figure BDA0003085158340000145
为在时刻t时毫米波链路i→m的视距概率；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的视距概率
Figure BDA0003085158340000146
为：
Figure BDA0003085158340000147
其中，b1和b2为环境常量；θi,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m的倾斜角；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的非视距概率
Figure BDA0003085158340000148
为：
Figure BDA00030851583400001415
其中，
Figure BDA0003085158340000149
为毫米波链路i→m的视距概率；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的倾斜角θi,m(t)为：
Figure BDA00030851583400001410
其中，
Figure BDA00030851583400001411
为无人机i在t时刻立体直角坐标系中的z坐标；
Figure BDA00030851583400001412
为地面终端m在t时刻立体直角坐标系中的z坐标；di,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离；
其中，在时刻t时，毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离di,m(t)为：
Figure BDA00030851583400001413
其中，
Figure BDA00030851583400001414
为无人机i在t时刻立体直角坐标系中的坐标；
Figure BDA0003085158340000151
为地面终端m在t时刻立体直角坐标系中的坐标；
A5.设xi,m为毫米波链路i→m的整型变量，若地面终端m与无人机i建立了通信连接，则xi,m＞0；否则，xi,m＝0；定义毫米波链路i→m的二进制变量Φ(xi,m)如下：
Figure BDA0003085158340000152
同时，定义毫米波链路j→n的二进制变量
Figure BDA0003085158340000153
xj,n为毫米波链路j→n的整型变量；
初始化矩阵X＝{xi,m|i→m∈L(t)}，矩阵中的元素表示链路，元素值表示该链路被分配到的信道编号，将元素值初始化为0以表示未分配信道，即X＝{x1＝0,...,xk＝0,...,xK＝0}，xk与xi,m一一对应，同时xk与qk一一对应；
A6.初始化集合
Figure BDA00030851583400001510
内元素值qk的索引下标k＝1，同时选取q1所对应的链路，计算系统初始能效E1(t)，并为第一条链路分配一号信道，即令x1＝1；
计算系统初始能效E1(t)，具体包括：
Figure BDA0003085158340000154
其中，R1(t)为在时刻t时，毫米波链路的总数据率；PC1(t)为在时刻t时第一条毫米波链路的功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率R1(t)为：
Figure BDA0003085158340000155
其中，SU1表示第一条毫米波链路的无人机；GS1表示第一条毫米波链路的地面终端；
Figure BDA0003085158340000156
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000157
为地面终端集合；r1(t)为在时刻t时第一条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第一条毫米波链路的数据率r1(t)(即吞吐量)为：
Figure BDA0003085158340000158
Φ(x1)为第一条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure BDA0003085158340000159
为在时刻t时第一条毫米波链路的信号噪声比；
计算第一条毫米波链路的信号噪声比(signal-to-interference plus noiseratio，SINR)
Figure BDA0003085158340000161
Figure BDA0003085158340000162
其中，
Figure BDA0003085158340000163
为在时刻t时第一条毫米波链路的接收功率；
Figure BDA0003085158340000164
为在时刻t时第一条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(x1)为第一条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SU1表示第一条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GS1表示第一条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure BDA0003085158340000165
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000166
为地面终端集合。
A7.由x1找到对应的xi,m；
A8.根据xi,m获得无人机编号i以及地面终端编号m；
A9.将第一条链路i→m加入顶点集AL(t)；
A10.更新qk的索引下标k，即k＝k+1，同时继续选取qk所对应的链路(即第k条毫米波链路)；对于此链路，考虑其可与经前面计算得出的可共存链路共同复用特定的信道，并计算系统新能效Ek(t)；
计算系统新能效Ek(t)，具体包括：
Figure BDA0003085158340000167
其中，Rk(t)为在时刻t时，毫米波链路的总数据率，考虑第k条毫米波链路可与经前面计算得出的可共存链路共同复用特定的信道，计算得出系统总数据率Rk(t)；PCk(t)为在时刻t时，与Rk(t)相对应的系统总功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率Rk(t)为：
Figure BDA0003085158340000168
其中，SUk表示第k条毫米波链路的无人机；GSk表示第k条毫米波链路的地面终端；
Figure BDA0003085158340000169
为无人机集合；
Figure BDA00030851583400001610
为地面终端集合；rk(t)为在时刻t时第k条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第k条毫米波链路的数据率rk(t)(即吞吐量)为：
Figure BDA0003085158340000171
Φ(xk)为第k条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure BDA0003085158340000172
为在时刻t时第k条毫米波链路的信号噪声比；
计算第k条毫米波链路的信号噪声比
Figure BDA0003085158340000173
Figure BDA0003085158340000174
其中，
Figure BDA0003085158340000175
为在时刻t时第k条毫米波链路的接收功率；
Figure BDA0003085158340000176
为在时刻t时第k条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(xk)为第k条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SUk表示第k条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GSk表示第k条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure BDA0003085158340000177
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000178
为地面终端集合。
A11.判断系统新能效Ek(t)是否大于ρE1(t)，若是，则说明第k条链路能与网络内的链路共存，该链路不构成干扰图中的独立顶点，进入步骤A12，否则说明第k条链路不能与网络内的链路共存，该链路暂时构成干扰图中的独立顶点，进入步骤A13；
干扰的具体计算方法为在时刻t时，当经波束训练机制所获得的所有毫米波链路共同使用了一条毫米波信道时，那么很有可能会产生强烈的同频干扰。不失一般性地，本发明考虑多条毫米波链路(比如i→m和j→n)都同时使用了相同信道的情况：在时刻t时，地面终端m所接收到的干扰功率
Figure BDA0003085158340000179
为：
Figure BDA00030851583400001710
其中，
Figure BDA00030851583400001711
为毫米波链路j→n的发射功率；
Figure BDA00030851583400001712
为无人机j和地面终端m之间的定向发射增益；
Figure BDA00030851583400001713
为无人机j和地面终端m之间的定向接收增益；
Figure BDA00030851583400001714
为在t时刻时毫米波链路j→m的信道增益；
根据公式
Figure BDA0003085158340000181
Figure BDA0003085158340000182
为用弧度表示的主瓣波束宽度，ω为用弧度表示的主瓣波束偏移角，ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1，每条路径的定向发射-接收增益由以下公式得出：
Figure BDA0003085158340000183
其中，
Figure BDA0003085158340000184
为无人机j和地面终端m之间的定向发射增益；
Figure BDA0003085158340000185
为无人机j和地面终端m之间的定向接收增益；
Figure BDA0003085158340000186
为发射端用弧度表示的主瓣波束宽度；
Figure BDA0003085158340000187
为接收端用弧度表示的主瓣波束宽度；
Figure BDA0003085158340000188
为无人机j发射波束方向(无人机j对地面终端n的发射波束)到地面终端m处的波束偏移角波束偏移角；
Figure BDA0003085158340000189
为地面终端m接收波束的方向(地面终端m对无人机i的接收波束)到无人机j处的波束偏移角。
A12.将第k条链路的信道编号设为1，即xk＝1，然后进行步骤A17；
A13.由xk找到对应的xj,n；
A14.根据xj,n获得无人机编号j以及地面终端编号n；
A15.将链路j→n所表示的顶点加入到顶点集AL(t)；
A16.将(i→m,j→n)所表示的边加入到边集Aw(t)；不能共存的链路(顶点)构成干扰边；
A17.判断集合
Figure BDA00030851583400001810
内元素值qk的索引下标k是否小于集合
Figure BDA00030851583400001811
的元素个数K，若是，则说明集合
Figure BDA00030851583400001812
未索引完毕，返回步骤A10，否则进入步骤A18；
A18.输出干扰图AIG(t)＝(AL(t),Aw(t))，AL(t)为图的顶点集合，Aw(t)为图的边集合。
所述的步骤S4，具体包括如下步骤：
B1.初始化全局变量，c＝2；c为信道编号索引变量，步骤S3在完成构建干扰图的同时，已对c＝1号信道分配完毕；
B2.初始化集合
Figure BDA0003085158340000191
为空集，集合
Figure BDA0003085158340000192
用于存储未分配信道链路的能效值；
B3.初始化K'为集合
Figure BDA0003085158340000193
的元素个数，即K'＝0，初始化k＝0，k为集合
Figure BDA0003085158340000194
内元素值qk的索引下标；
B4.更新qk的索引下标，即k＝k+1，拟找出未被分配信道的链路；
B5.判断元素xk是否属于X且取值为零，若是，则说明第k条链路还没有被分配到合适的信道，进入步骤B6，否则，直接转入步骤B8；
B6.将集合
Figure BDA0003085158340000195
中第k条链路的能效qk加入到集合
Figure BDA0003085158340000196
中；
B7.更新集合
Figure BDA0003085158340000197
的元素个数，即K'＝K'+1；
B8.判断qk的索引下标k是否小于集合
Figure BDA0003085158340000198
的元素个数K，若是，说明集合
Figure BDA0003085158340000199
未索引完毕，返回步骤B4，否则进入步骤B9；
B9.对集合
Figure BDA00030851583400001910
中的元素值进行降序排序；
B10.初始化矩阵X'＝{x1＝0,...,xk'＝0,...,xK'＝0}，矩阵X'中元素所表示的链路与矩阵X以及集合
Figure BDA00030851583400001911
中元素所表示的链路一一对应，元素值为链路所被分配到的编号；
B11.设置集合
Figure BDA00030851583400001912
的qk'索引下标k'＝1，同时选取qk'所对应的链路，计算系统新能效Ek'(t)，并将第k'条链路的信道编号设为c，即xk'＝c；
计算系统新能效Ek'(t)，具体包括：
Figure BDA00030851583400001913
其中，Rk'(t)为在时刻t时，毫米波链路的总数据率，考虑第k'条毫米波链路可与经前面计算得出的可共存链路共同复用特定的信道，计算得出系统总数据率Rk'(t)；PCk'(t)为在时刻t时，与Rk'(t)相对应的系统总功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率Rk'(t)为：
Figure BDA00030851583400001914
其中，SUk'表示第k'条毫米波链路的无人机；GSk'表示第k'条毫米波链路的地面终端；
Figure BDA0003085158340000201
为无人机集合；
Figure BDA0003085158340000202
为地面终端集合；rk'(t)为在时刻t时第k'条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第k'条毫米波链路的数据率rk'(t)(即吞吐量)为：
Figure BDA0003085158340000203
Φ(xk')为第k'条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure BDA0003085158340000204
为在时刻t时第k'条毫米波链路的信号噪声比；
计算第k'条毫米波链路的信号噪声比
Figure BDA0003085158340000205
Figure BDA0003085158340000206
其中，
Figure BDA0003085158340000207
为在时刻t时第k'条毫米波链路的接收功率；
Figure BDA0003085158340000208
为在时刻t时第k'条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(xk')为第k'条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SUk'表示第k'条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GSk'表示第k'条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure BDA0003085158340000209
为无人机集合；
Figure BDA00030851583400002010
为地面终端集合。
B12.由xk'找到对应的xi,m；
B13.根据xi,m获得无人机标号i以及地面用户编号m；
B14.更新qk'的索引下标k'，即k'＝k'+1，同时继续选取qk'所对应的链路，并计算系统新能效Ek'(t)；
B15.判断系统新能效Ek'(t)是否大于ρE1(t)，若是，则说明第k'条链路能与网络内的链路共存，该链路不再在干扰图中充当独立的顶点，进入步骤B16，否则，说明第k'条链路不能与网络内的链路共存，进入步骤B20；
B16.为第k'号链路分配信道c，即xk'＝c；
B17.由xk'找到对应的链路xi',m'；
B18.根据xi',m'获得无人机编号i'以及地面用户编号m'；
B19.将链路i'→m'所表示的顶点以及对应的边从干扰图AIG(t)中删除，然后进入步骤B23；
B20.由xk'找到对应的xj,n；
B21.根据xj,n获得无人机标号j以及地面用户编号n；
B22.将(i→m,j→n)所表示的边加入到边集Aw(t)；
B23.判断qk'的索引下标k'是否小于集合
Figure BDA0003085158340000211
的元素个数k'，若是，则说明集合
Figure BDA0003085158340000212
未索引完毕，返回步骤B14，否则进入步骤B24；
B24.判断集合X'中是否有元素的值为c，若是，在集合X中更新对应元素的值为c；
B25.判断集合X中是否有元素的值为0，若是，说明仍有链路未被分配信道，进入步骤B26；
B26.判断已分配的信道个数是否小于可用信道个数，若是，继续进行信道分配，即令c＝c+1，并返回步骤B2，否则进入步骤B27；
B27.输出分配的信道，并进行通信。
以上参数在本实施例中如表1所示：
表1仿真参数
Figure BDA0003085158340000213
Figure BDA0003085158340000221
本发明考虑两种实施场景：第一种场景如图2所示，主无人机盘旋在高度为100米的空中；多台从无人机以主无人机为圆心，100m为半径的圆为运动轨迹进行圆周运动，飞行速度为vU；如图3为本发明实施例的两种飞行轨迹的位置关系示意图。第二种场景如图3所示，该场景保留了场景一中无人机的整体部署，并且在高度为70m的空中增加了多台从无人机，这些无人机以主无人机在其运动平面的投射点为圆心，50m为半径的圆为运动轨迹进行圆周运动，飞行速度也为vU。为了保证无人机之间不会发生碰撞，同一运动轨迹中的无人机需要同步调整飞行速度，而不同运动轨迹中的无人机均可以独立地调整自己的飞行速度。基于上述两个场景，本发明进一步考虑每个场景中从无人机的数量以及位置部署对系统性能的影响。具体如下：在场景一中，设置三个小场景，无人机的数量分别被设为2台，4台以及6台；在场景二中，同样设置三个小场景，无人机的数量分别被设为4台(2台位于100m高空，2台位于70m高空)，6台(4台位于100m高空，2台位于70m高空)以及8台(4台位于100m高空，4台位于70m高空)。
另外，如图4为本发明实施例的系统的时槽结构示意图，在本发明中，每个仿真周期被分为一系列具有相同时间间隔的仿真时间片；而每个仿真时间片由多个训练时间槽组成。波束训练以一个仿真时间片为周期。在一个仿真时间片中，时间主要被分割为波束训练以及数据传输两个阶段：当从无人机配合主无人机完成波束训练之后，每台从无人机都能获取到一个地面终端集合(集合中的所有地面终端均能与该从无人机实现波束对齐，即具备与该无人机建立毫米波通信连接的前提条件)；在该仿真时间片的剩余时间内，通过运行本发明所提出的算法1和算法2，每台从无人机可以从与其关联的地面终端集合中选出最合适的地面终端(一个或者多个，取决于可用信道的数量)建立毫米波通信连接并进行数据传输。
从无人机可以与集合内的所有地面终端通过训练好的毫米波束进行数据传输。随着从无人机的不断飞行，从无人机与地面用户之间的相对位置会发生改变；因此，在每一个仿真时间片的起始，均需要重新发起一次波束训练，为每台从无人机选择合适的地面用户进行通信，然后再进行必要的数据传输。除此之外，在每个仿真周期开始时，每台无人机还会随机改变一下飞行速度(0-20km/h)。
基于omnet++实现上述方案，并得到图5至图8所示结果；如图5为本发明实施例的可共存的毫米波链路数量示意图；如图6为本发明实施例的总数据率示意图；如图7为本发明实施例的每条毫米波链路的平均数据率；如图8为本发明实施例的系统平均能效示意图。在地面终端数量固定为700以及每台无人机单次训练时槽为60的条件下，随着可用信道数量的增加，无人机辅助的毫米波应急通信网络在上述六个场景中的性能仿真结果如图5至图8所示。从图5中可以看出，随着可用信道数量的增加，网络内可共存的毫米波链路也在增加；当可用信道数量足够大时，网络内可共存的毫米波链路不再增加。这是因为：由参数表可知，每台无人机的射频链个数被设为8，即每台无人机最多能同时与8个地面终端建立通信；当可用信道数量很小时，随着可用信道数量的增加，每台无人机所能服务的地面终端个数也会增加；而当可用信道数量超过一定值时，每台无人机并行通信能力达到上限，因此其所能服务的地面终端个数也会达到最大数。由图6可知，当可用信道较少时，网络内的总数据率与可用信道数量成正比关系。这是因为随着可用信道数量的增加，网络内可共存的毫米波链路也增多了，同时链路间的相互干扰被限制在阈值以下，网络的总数据率必然会随之增加。从图7中可以看出，随着可用信道数量的增加，每条毫米波链路的平均数据率基本保持不变。特别是场景一的三个小场景，其平均数据率基本相同且基本不会随着可用信道的增多而有所变化。这是因为通过信道分配算法，毫米波链路之间的相互干扰量被很好地控制在了一个较低的范围内，因此每条链路之间的平均数据率可以保持在一个较高的水平上。从图8中可以看出，当可用信道较少时，系统的平均能效与可用信道数量呈现出一定的反比关系。当可用信道数量很小时，系统平均能效相对来说非常高；当可用信道数量逐渐增加时，系统平均能效呈现出一个逐渐下降的趋势，并且下降速度在明显减缓。这是合理的，因为如上文所提到的，随着可用信道数量的增加，每台无人机所能并行服务的地面终端个数也会增加，那么网络内不同链路之间的相互干扰也会有一定程度的增强。然而，如图7所示，网络内平均每条链路的数据率并没有随着链路间干扰的增强而有所增加，显然这是以更多的功率消耗为代价来实现的结果。因此，当可用信道数量较小并且每台无人机的并行通信能力还没有达到上限时，随着可用信道数量的增加，系统的总功耗会增加，同时总数据率基本保持不变，因此，系统的平均能效会有所降低。随着可用信道数量的进一步增加，每台无人机的并行通信能力达到上限，被服务的地面终端数量也达到上限，因此系统的平均能效也会逐渐稳定。

Claims (10)

1.一种无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.建立无人机辅助应急通信网络架构；
S2.提取无人机辅助应急通信网络架构中的参数；
S3.构建干扰图；
S4.进行信道分配，并用分配后的信道进行通信。
2.根据权利要求1所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于所述的步骤S1，无人机辅助应急通信网络架构具体包括一台主无人机和若干台从无人机；主无人机和若干台从无人机搭载基站作为飞行基站，为地面终端提供通信服务；其中主无人机用于接收从无人机的反馈信息，执行计算操作并将结果发送给从无人机；从无人机则用于为地面终端提供通信服务。
3.根据权利要求2所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于无人机辅助毫米波通信中，使用波束成形模式，表达式如下：
Figure FDA0003085158330000011
其中，
Figure FDA0003085158330000012
为基础定向发射-接收增益；
Figure FDA0003085158330000013
为用弧度表示的主瓣波束宽度；ω为用弧度表示的主瓣波束偏移角；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1；
无人机或地面终端在任意切面上的波束个数定义为nb：
Figure FDA0003085158330000014
其中，
Figure FDA0003085158330000015
为无人机或地面终端的最大波束宽度。
4.根据权利要求3所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于步骤S3，具体包括如下步骤：
A1.初始化全局参数，K＝Card(L(t))；链路集L(t)为在时刻t处，经过波束训练机制所获得的毫米波链路集合；将在时刻t处，经过波束训练机制所获得的毫米波链路总数保存在变量K中；
A2.初始化顶点集AL(t)为空集；
A3.初始化边集Aw(t)为空集；
A4.对链路集L(t)中每条链路的能效{ei,m(t)|i→m∈L(t)}进行降序排序，并存进
Figure FDA0003085158330000021
中；
A5.设xi,m为毫米波链路i→m的整型变量，若地面终端m与无人机i建立了通信连接，则xi,m＞0；否则，xi,m＝0；初始化矩阵X＝{xi,m|i→m∈L(t)}，矩阵中的元素表示链路，元素值表示该链路被分配到的信道编号，将元素值初始化为0以表示未分配信道，X＝{x1＝0,...,xk＝0,...,xK＝0}，xk与xi,m一一对应，同时xk与qk一一对应；
A6.初始化集合
Figure FDA0003085158330000022
内元素值qk的索引下标k＝1，同时选取q1所对应的链路，计算系统初始能效E1(t)，并为第一条链路分配一号信道，x1＝1；
A7.由x1找到对应的xi,m；
A8.根据xi,m获得无人机编号i以及地面终端编号m；
A9.将第一条链路i→m加入顶点集AL(t)；
A10.更新qk的索引下标k，同时继续选取qk所对应的链路，并计算系统新能效Ek(t)；
A11.判断系统新能效Ek(t)是否大于ρE1(t)，若是，则说明第k条链路能与网络内的链路共存，该链路不构成干扰图中的独立顶点，进入步骤A12，否则说明第k条链路不能与网络内的链路共存，该链路暂时构成干扰图中的独立顶点，进入步骤A13；
A12.将第k条链路的信道编号设为1，xk＝1，然后进行步骤A17；
A13.由xk找到对应的xj,n；
A14.根据xj,n获得无人机编号j以及地面终端编号n；
A15.将链路j→n所表示的顶点加入到顶点集AL(t)；
A16.将(i→m,j→n)所表示的边加入到边集Aw(t)；不能共存的链路构成干扰边；
A17.判断集合
Figure FDA0003085158330000023
内元素值qk的索引下标k是否小于集合
Figure FDA0003085158330000024
的元素个数K，若是，则说明集合
Figure FDA0003085158330000025
未索引完毕，返回步骤A10，否则进入步骤A18；
A18.输出干扰图AIG(t)＝(AL(t),Aw(t))，AL(t)为图的顶点集合，Aw(t)为图的边集合。
5.根据权利要求4所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于步骤A4中，在毫米波网络中，能效ei,m(t)的计算方法为：
Figure FDA0003085158330000031
其中，ei,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m的能效；
Figure FDA0003085158330000032
为在时刻t时毫米波链路i→m的信号噪声比；
Figure FDA0003085158330000033
为毫米波链路i→m的发射功率；PRF为一条射频链路的功耗；
在时刻t时，对于经波束训练机制所获得的i→m毫米波链路，信号噪声比
Figure FDA0003085158330000034
由以下公式计算得出：
Figure FDA0003085158330000035
其中，
Figure FDA0003085158330000036
为在时刻t时毫米波链路i→m的接收功率；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
在时刻t时，毫米波链路i→m的接收功率
Figure FDA0003085158330000037
具体为：
Figure FDA0003085158330000038
其中，
Figure FDA0003085158330000039
为毫米波链路i→m的发射功率；
Figure FDA00030851583300000310
为毫米波链路i→m的定向发射增益；
Figure FDA00030851583300000311
为毫米波链路i→m的定向接收增益；
Figure FDA00030851583300000312
为在时刻t时毫米波链路i→m的平均信道增益；
计算毫米波链路i→m的定向发射增益
Figure FDA00030851583300000313
Figure FDA00030851583300000314
其中，
Figure FDA00030851583300000315
为发射端用弧度表示的主瓣波束宽度；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1；
计算毫米波链路i→m的定向接收增益
Figure FDA00030851583300000316
Figure FDA00030851583300000317
其中，
Figure FDA0003085158330000041
为接收端用弧度表示的主瓣波束宽度；ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的平均信道增益
Figure FDA0003085158330000042
为
Figure FDA0003085158330000043
其中，λ为波长，λ＝c/fc，fc为载波频率；δ(·)表示狄拉克三角函数；di,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离；τ为传播时延；c为光速；Γ为毫米波反射路径的反射系数；
Figure FDA0003085158330000044
为在时刻t时毫米波链路i→m的非视距概率；
Figure FDA0003085158330000045
为在时刻t时毫米波链路i→m的视距概率；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的视距概率
Figure FDA0003085158330000046
为：
Figure FDA0003085158330000047
其中，b1和b2为环境常量；θi,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m的倾斜角；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的非视距概率
Figure FDA0003085158330000048
为：
Figure FDA0003085158330000049
其中，
Figure FDA00030851583300000410
为毫米波链路i→m的视距概率；
计算在时刻t时，毫米波链路i→m的倾斜角θi，m(t)为：
Figure FDA00030851583300000411
其中，
Figure FDA00030851583300000412
为无人机i在t时刻立体直角坐标系中的z坐标；
Figure FDA00030851583300000413
为地面终端m在t时刻立体直角坐标系中的z坐标；di,m(t)为在时刻t时毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离；
其中，在时刻t时，毫米波链路i→m中无人机i与地面终端m之间的实时距离di,m(t)为：
Figure FDA00030851583300000414
其中，
Figure FDA00030851583300000415
为无人机i在t时刻立体直角坐标系中的坐标；
Figure FDA0003085158330000051
为地面终端m在t时刻立体直角坐标系中的坐标。
6.根据权利要求5所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于步骤A5还包括定义毫米波链路i→m的二进制变量Φ(xi,m)：
Figure FDA0003085158330000052
同时，定义毫米波链路j→n的二进制变量Φ(xj,n)：
Figure FDA0003085158330000053
xj,n为毫米波链路j→n的整型变量。
7.根据权利要求6所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于步骤A6，计算系统初始能效E1(t)，具体包括：
Figure FDA0003085158330000054
其中，R1(t)为在时刻t时，毫米波链路的总数据率；PC1(t)为在时刻t时第一条毫米波链路的功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率R1(t)为：
Figure FDA0003085158330000055
其中，SU1表示第一条毫米波链路的无人机；GS1表示第一条毫米波链路的地面终端；
Figure FDA0003085158330000056
为无人机集合；
Figure FDA0003085158330000057
为地面终端集合；r1(t)为在时刻t时第一条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第一条毫米波链路的数据率r1(t)为：
Figure FDA0003085158330000058
Φ(x1)为第一条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure FDA0003085158330000059
为在时刻t时第一条毫米波链路的信号噪声比；
计算第一条毫米波链路的信号噪声比
Figure FDA00030851583300000510
Figure FDA00030851583300000511
其中，
Figure FDA00030851583300000512
为在时刻t时第一条毫米波链路的接收功率；
Figure FDA00030851583300000513
为在时刻t时第一条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(x1)为第一条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SU1表示第一条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GS1表示第一条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure FDA0003085158330000061
为无人机数量；
Figure FDA0003085158330000062
为地面终端数量；
步骤A10，计算系统新能效Ek(t)，具体包括：
Figure FDA0003085158330000063
其中，Rk(t)为在时刻t时，毫米波链路的总数据率；PCk(t)为在时刻t时，与Rk(t)相对应的系统总功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率Rk(t)为：
Figure FDA0003085158330000064
其中，SUk表示第k条毫米波链路的无人机；GSk表示第k条毫米波链路的地面终端；
Figure FDA0003085158330000065
为无人机集合；
Figure FDA0003085158330000066
为地面终端集合；rk(t)为在时刻t时第k条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第k条毫米波链路的数据率rk(t)为：
Figure FDA0003085158330000067
Φ(xk)为第k条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure FDA0003085158330000068
为在时刻t时第k条毫米波链路的信号噪声比；
计算第k条毫米波链路的信号噪声比
Figure FDA0003085158330000069
Figure FDA00030851583300000610
其中，
Figure FDA00030851583300000611
为在时刻t时第k条毫米波链路的接收功率；
Figure FDA00030851583300000612
为在时刻t时第k条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(xk)为第k条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SUk表示第k条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GSk表示第k条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure FDA0003085158330000071
为无人机集合；
Figure FDA0003085158330000072
为地面终端集合。
8.根据权利要求7所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于干扰功率的具体计算方法为，在时刻t时，地面终端m所接收到的干扰功率
Figure FDA0003085158330000073
为：
Figure FDA0003085158330000074
其中，
Figure FDA0003085158330000075
为毫米波链路j→n的发射功率；
Figure FDA0003085158330000076
为无人机j和地面终端m之间的定向发射增益；
Figure FDA0003085158330000077
为无人机j和地面终端m之间的定向接收增益；
Figure FDA0003085158330000078
为在t时刻时毫米波链路j→m的信道增益；
根据公式
Figure FDA0003085158330000079
Figure FDA00030851583300000710
为用弧度表示的主瓣波束宽度，ω为用弧度表示的主瓣波束偏移角，ε为旁瓣增益，0<ε＜＜1，每条路径的定向发射-接收增益由以下公式得出：
Figure FDA00030851583300000711
其中，
Figure FDA00030851583300000712
为无人机j和地面终端m之间的定向发射增益；
Figure FDA00030851583300000713
为无人机j和地面终端m之间的定向接收增益；
Figure FDA00030851583300000714
为发射端用弧度表示的主瓣波束宽度；
Figure FDA00030851583300000715
为接收端用弧度表示的主瓣波束宽度；
Figure FDA00030851583300000716
为无人机j发射波束方向到地面终端m处的波束偏移角波束偏移角；
Figure FDA00030851583300000717
为地面终端m接收波束的方向到无人机j处的波束偏移角。
9.根据权利要求8所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于步骤S4，具体包括如下步骤：
B1.初始化全局变量，c＝2；c为信道编号索引变量，步骤S3在完成构建干扰图的同时，已对c＝1号信道分配完毕；
B2.初始化集合
Figure FDA0003085158330000081
为空集，集合
Figure FDA0003085158330000082
用于存储未分配信道链路的能效值；
B3.初始化K'为集合
Figure FDA0003085158330000083
的元素个数，初始化k＝0，k为集合
Figure FDA0003085158330000084
内元素值qk的索引下标；
B4.更新qk的索引下标，拟找出未被分配信道的链路；
B5.判断元素xk是否属于X且取值为零，若是，则说明第k条链路还没有被分配到合适的信道，进入步骤B6，否则，直接转入步骤B8；
B6.将集合
Figure FDA0003085158330000085
中第k条链路的能效qk加入到集合
Figure FDA0003085158330000086
中；
B7.更新集合
Figure FDA0003085158330000087
的元素个数；
B8.判断qk的索引下标k是否小于集合
Figure FDA0003085158330000088
的元素个数K，若是，说明集合
Figure FDA0003085158330000089
未索引完毕，返回步骤B4，否则进入步骤B9；
B9.对集合
Figure FDA00030851583300000810
中的元素值进行降序排序；
B10.初始化矩阵X'＝{x1＝0,...,xk'＝0,...,xK'＝0}，矩阵X'中元素所表示的链路与矩阵X以及集合
Figure FDA00030851583300000811
中元素所表示的链路一一对应，元素值为链路所被分配到的编号；
B11.设置集合
Figure FDA00030851583300000812
的qk'索引下标k'＝1，同时选取qk'所对应的链路，计算系统新能效Ek'(t)，并将第k'条链路的信道编号设为c；
B12.由xk'找到对应的xi,m；
B13.根据xi,m获得无人机标号i以及地面用户编号m；
B14.更新qk'的索引下标k'，同时继续选取qk'所对应的链路，并计算系统新能效Ek'(t)；
B15.判断系统新能效Ek'(t)是否大于ρE1(t)，若是，则说明第k'条链路能与网络内的链路共存，该链路不再在干扰图中充当独立的顶点，进入步骤B16，否则，说明第k'条链路不能与网络内的链路共存，进入步骤B20；
B16.为第k'号链路分配信道c，；
B17.由xk'找到对应的链路xi',m'；
B18.根据xi',m'获得无人机编号i'以及地面用户编号m'；
B19.将链路i'→m'所表示的顶点以及对应的边从干扰图AIG(t)中删除，然后进入步骤B23；
B20.由xk'找到对应的xj,n；
B21.根据xj,n获得无人机标号j以及地面用户编号n；
B22.将(i→m,j→n)所表示的边加入到边集Aw(t)；
B23.判断qk'的索引下标k'是否小于集合
Figure FDA0003085158330000091
的元素个数k'，若是，则说明集合
Figure FDA0003085158330000092
未索引完毕，返回步骤B14，否则进入步骤B24；
B24.判断集合X'中是否有元素的值为c，若是，在集合X中更新对应元素的值为c；
B25.判断集合X中是否有元素的值为0，若是，说明仍有链路未被分配信道，进入步骤B26；
B26.判断已分配的信道个数是否小于可用信道个数，若是，继续进行信道分配，更新元素的值c，并返回步骤B2，否则进入步骤B27；
B27.输出信道，并进行通信。
10.根据权利要求9所述的无人机辅助毫米波应急通信网中的信道分配方法，其特征在于步骤B11，计算系统新能效Ek'(t)，具体包括：
Figure FDA0003085158330000093
其中，Rk'(t)为在时刻t时，毫米波链路的总数据率；PCk'(t)为在时刻t时，与Rk'(t)相对应的系统总功耗；
在时刻t时，毫米波链路的总数据率Rk'(t)为：
Figure FDA0003085158330000094
其中，SUk'表示第k'条毫米波链路的无人机；GSk'表示第k'条毫米波链路的地面终端；
Figure FDA0003085158330000095
为无人机集合；
Figure FDA0003085158330000096
为地面终端集合；rk'(t)为在时刻t时第k'条毫米波链路的数据率；
计算在时刻t时，第k'条毫米波链路的数据率rk'(t)为：
Figure FDA0003085158330000097
Φ(xk')为第k'条毫米波链路的二进制变量；B为毫米波信道宽度；
Figure FDA0003085158330000098
为在时刻t时第k'条毫米波链路的信号噪声比；
计算第k'条毫米波链路的信号噪声比
Figure FDA0003085158330000101
Figure FDA0003085158330000102
其中，
Figure FDA0003085158330000103
为在时刻t时第k'条毫米波链路的接收功率；
Figure FDA0003085158330000104
为在时刻t时第k'条毫米波链路的地面终端所接收到的干扰功率；Φ(xk')为第k'条毫米波链路的二进制变量；Φ(xj,n)为毫米波链路j→n的二进制变量；SUj表示无人机j；SUk'表示第k'条毫米波链路的无人机；GSn表示地面终端n；GSk'表示第k'条毫米波链路的地面终端；B为毫米波信道宽度；N0为背景噪声的功率谱密度；
Figure FDA0003085158330000105
为无人机集合；
Figure FDA0003085158330000106
为地面终端集合。
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