一种基于无人机辅助的频谱交易通信方法

1.本发明涉及通信领域，特别是涉及一种基于无人机辅助的频谱交易通信方法。


背景技术：

2.当移动设备(md)和基站(bs)之间的直连链路非常脆弱时，无人机(uav)辅助通信已被认为是一种可在移动设备(md)和基站(bs)之间提供可靠无线连接的关键技术。 一般来说，无人机通常在未经许可的2.4ghz无线电频段上运行，频谱资源非常有限，而md和bs之间的通信通常占用更多由服务提供商许可的频谱资源。因此，将频谱资源从md交易到uav可以潜在地提高它们两者的数据传输速率。
3.md和uav之间的“频谱交易”的概念来自频谱共享，其中作为协作中继的未被授权的辅助md(smd)可以临时使用初始md(pmd)被授权的频谱，协助pmd的传输。大多数现有的频谱共享工作只关注自私的pmd和无私的无人机之间的交互。然而，实际情况中无人机也可以是自私的，不仅充当中继器，还需要将自己的数据传输到基站。由于频谱资源有限，自私的无人机通过临时向md借用更多的频谱资源来提高其传输速率，并转发md的信号到基站协助其传输作为回报。因此，如何在自私的无人机和自私的md之间建立有效的频谱交易以提高两者的传输速率成为新的挑战；即使在地面通信的情况下，现有工作中也没有对频谱交易进行研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于无人机辅助的频谱交易通信方法，对于具有更多频谱资源的移动设备，将其频谱暂时借给无人机以增强从无人机到基站的传输；作为回报，对于具有更好信道条件的uav，分配其功率的一部分转发md的信号到bs；使得md和无人机建立了有效的频谱交易，增加了传输速率。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于无人机辅助的频谱交易通信方法，包括以下步骤：s1.构建基于无人机辅助的传输方案；s2.建立频谱交易模型，并给出模型中博弈均衡点所需满足的条件；s3.在不同程度信道状态信息下进行频谱交易的博弈均衡点计算；s4.根据步骤s3的计算结果，进行基于无人机辅助的频谱交易通信。
6.其中，所述步骤s1包括：考虑具有一个md、一个uav和一个bs的无人机辅助通信场景， md和uav在不同的频带上将各自的信号传输到bs，频带宽度分别记为和；其中md是指移动设备、uav是指无人机、bs是指基站；将无人机辅助通信场景分为无频谱交易和有频谱交易两种，针对两种场景分别建立基于无人机辅助的传输方案：在无频谱交易的通信场景下，md和uav之间的频谱交易不建立；md和uav分别利用
各自的频谱和向bs发送信号，md和uav的对应传输速率分别为：（1）（2）其中，和分别表示md和uav的传输功率，和分别表示链路md-bs和链路uav-bs的信道系数，则表示复对称圆高斯噪声的功率谱密度；在有频谱交易的通信场景下，md和uav之间成功建立频谱交易；md要求uav分配的功率用来转发信号到uav，其中表示md讨价还价的参数；作为回报，md暂时将其所有频谱资源借给uav，以增强从uav到bs的信号传输；时间单元被等效地分为两个阶段：md首先以功率将其信号发送到uav;然后，uav分配功率通过放大和转发方案将md的信号转发到bs，并使用剩余的功率将自己的信号发送到bs；因此，在bs接收到的信号包含无人机自己的信号、md的信号和由uav转发的复对称高斯噪声，以及本身收到的复对称高斯噪声；在单用户解码方案下，md和uav在频谱交易下的传输速率分别为（3）（4）其中, ,表示md到uav的信道系数，表示uav转发md信号的归一化功率放大系数。
7.其中，所述步骤s2包括：s201.考虑到md和uav需要进行讨价还价，以确定双方都可以接受的值，在议价过程中，md首先需要决定二进制参数的值以决定是否发起频谱交易：若时，md发起频谱交易并选择最优的值；若，md将不会发起频谱交易；uav通过二进制参数决定接受或拒绝交易:
表示uav接受md发起的值为的频谱交易;则表示uav拒绝；因此表示md与uav成功达成值为的频谱交易；将策略剖面被定义为；s202.考虑到uav端能够获得和的完美信道信息；因此，uav在任何可行策略剖面的效用函数被直接定义为其传输速率，即（5）其中，表示指示函数；和分别被定义在公式（2）和（4）中；s203.当md能够获得和的完美信道信息时，md的效用函数也被直接定义为传输速率，如公式（1）和（3）所示；然而，由于md不是直接与uav-bs链路相连，只能获得的完美信道信息和的统计信息；设信道增益服从上的均匀分布；其中，是一个常数，表示波动参数；然后，md在只能获得统计信道信息下的效用函数被定义为传输速率在上的期望，即；md的效用函数被定义为 （6）其中，和分别被定义在公式（1）和（3）中；s204.md和uav有不同的目标函数，即在策略剖面上最大化自己的效用函数，如公式（5）和（6）；因此，md和uav之间是否建立频谱交易的讨价还价过程被建模为一个博弈，md和uav被看作博弈者；需要找到满足下列等式的博弈均衡点，即（7）
（8）其中，。
8.其中，步骤s3中所述的不同程度信道状态信息是指：md知道的完美信道信息和md知道的统计信息，所述步骤s3包括：s301.当md能够获得的完美信息时，频谱交易问题被建模为一个两阶段博弈，对应的spe通过最大化md和uav的效用函数（7）和（8）计算，得到如下结果：（a）若,spe为;（b）若,必存在一个使得成立，当时对应的spe为,当时，对应的spe为。
9.当md只知道的统计信息时，频谱交易问题被建模为一个贝叶斯博弈，得到对应的bne如下：（a）若且，对应的bne为;（b）若，对应的bne为;（c）若且，对应的bne为。
10.s302.采用蒙特卡罗搜索算法来查找bne，具体步骤如下：a1、初始化：输入md侧的信道分布，常数m和n，根据公式（1）和（2）分别计算和;a2、在时，循环执行如下步骤：a21、设置,根据均匀分布生成关于的对样本；a22、根据,在md端计算uav的反应；a23、标记集合和；
a24、根据计算md的期望效用；在i的n个取值循环结束后，进入步骤a3；a3、设置,且；如果，均衡点为；否则：若，均衡点为；若,均衡点为。
11.所述步骤s4包括：根据计算得到的均衡点中和这三个参数的值，在md和无人机之间实现频谱交易通信，具体过程为：s401.md根据和的值发起频谱交易；若，则向无人机发起转发功率为的频谱交易；若，则不发起频谱交易；s402.无人机根据的值确定是否接受频谱交易；若，则无人机接受md发起的频谱交易；若，则无人机不接受频谱交易；s403.当md发起频谱交易且无人机接受频谱交易时，以有频谱交易的通信场景进行通信；否则，均以无频谱交易的通信场景进行通信。
12.本发明的有益效果是：对于具有更多频谱资源的移动设备(md)，将其频谱暂时借给无人机以增强从无人机到基站的传输；作为回报，具有更好信道条件的uav分配其功率的一部分转发md的信号到bs。并研究了md和无人机如何建立有效的频谱交易，以增加它们的传输速率。当md具有完全信道状态信息时，将md与无人机之间的频谱交易建模为两阶段博弈，并推导出相应的子博弈完美均衡点(spe)；当md只知道无人机-bs链路的统计csi时，我们将其建模为贝叶斯博弈，并通过蒙特卡洛搜索方法计算其贝叶斯纳什均衡点(bne)，可以提高和均衡md和无人机两者的传输速率。
附图说明
13.图1为本发明的方法流程图；图2为基于无人机辅助的通信场景示意图；图3为完美信道信息中不同值下spe和社会效益得到的传输速率示意图；图4为完美和统计信道信息中不同值下不同策略得到的传输速率示意图。
具体实施方式
14.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
15.如图1所示，一种基于无人机辅助的频谱交易通信方法，包括以下步骤：
s1.构建基于无人机辅助的传输方案；s2.建立频谱交易模型，并给出模型中博弈均衡点所需满足的条件；s3.在不同程度信道状态信息下进行频谱交易的博弈均衡点计算；s4.根据步骤s3的计算结果，进行基于无人机辅助的频谱交易通信。
16.其中，所述步骤s1包括：考虑具有一个md、一个uav和一个bs的无人机辅助通信场景，如图2所示， md和uav在不同的频带上将各自的信号传输到bs，频带宽度分别记为和；其中md是指移动设备、uav是指无人机、bs是指基站；将无人机辅助通信场景分为无频谱交易和有频谱交易两种，针对两种场景分别建立基于无人机辅助的传输方案：在无频谱交易的通信场景下，md和uav之间的频谱交易不建立；md和uav分别利用各自的频谱和向bs发送信号，md和uav的对应传输速率分别为：（1）（2）其中，和分别表示md和uav的传输功率，和分别表示链路md-bs和链路uav-bs的信道系数，则表示复对称圆高斯噪声的功率谱密度；在有频谱交易的通信场景下，md和uav之间成功建立频谱交易；md要求uav分配的功率用来转发信号到uav，其中表示md讨价还价的参数；作为回报，md暂时将其所有频谱资源借给uav，以增强从uav到bs的信号传输；时间单元被等效地分为两个阶段：md首先以功率将其信号发送到uav;然后，uav分配功率通过放大和转发方案将md的信号转发到bs，并使用剩余的功率将自己的信号发送到bs；因此，在bs接收到的信号包含无人机自己的信号、md的信号和由uav转发的复对称高斯噪声，以及本身收到的复对称高斯噪声；在单用户解码方案下，md和uav在频谱交易下的传输速率分别为（3）（4）
其中, 表示md到uav的信道系数，表示uav转发md信号的归一化功率放大系数。
17.所述步骤s2包括：s201.考虑到md和uav需要进行讨价还价，以确定双方都可以接受的值，在议价过程中，md首先需要决定二进制参数的值以决定是否发起频谱交易：若时，md发起频谱交易并选择最优的值；若，md将不会发起频谱交易；uav通过二进制参数决定接受或拒绝交易:表示uav接受md发起的值为的频谱交易;则表示uav拒绝；因此表示md与uav成功达成值为的频谱交易；将策略剖面被定义为；s202.考虑到uav端能够获得和的完美信道信息；因此，uav在任何可行策略剖面的效用函数被直接定义为其传输速率，即（5）其中，表示指示函数；和分别被定义在公式（2）和（4）中；s203.当md能够获得和的完美信道信息时，md的效用函数也被直接定义为传输速率，如公式（1）和（3）所示；然而，由于md不是直接与uav-bs链路相连，只能获得的完美信道信息和的统计信息；设信道增益服从上的均匀分布；其中，是一个常数，表示波动参数；然后，md在只能获得统计信道信息下的效用函数被定义为传输速率在上的期望，即；md的效用函数被定义为
（6）其中，和分别被定义在公式（1）和（3）中；s204.md和uav有不同的目标函数，即在策略剖面上最大化自己的效用函数，如公式（5）和（6）；因此，md和uav之间是否建立频谱交易的讨价还价过程被建模为一个博弈，md和uav被看作博弈者；需要找到满足下列等式的博弈均衡点，即（7）（8）其中，。
18.步骤s3中所述的不同程度信道状态信息是指：md知道的完美信道信息和md知道的统计信息，所述步骤s3包括：s301.当md能够获得的完美信息时，频谱交易问题被建模为一个两阶段博弈，对应的spe通过最大化md和uav的效用函数（7）和（8）计算，得到如下结果：（a）若，spe为；（b）若，必存在一个使得成立，当时对应的spe为，当时，对应的spe为。
19.当md只知道的统计信息时，频谱交易问题被建模为一个贝叶斯博弈，得到对应的bne如下：（a）若且，对应的bne为
；（b）若，对应的bne为；（c）若且，对应的bne为。
20.s302.采用蒙特卡罗搜索算法来查找bne，具体步骤如下：a1、初始化：输入md侧的信道分布，常数m和n，根据公式（1）和（2）分别计算和;a2、在时，循环执行如下步骤：a21、设置,根据均匀分布生成关于的对样本；a22、根据,在md端计算uav的反应；a23、标记集合和；a24、根据计算md的期望效用；在i的n个取值循环结束后，进入步骤a3；a3、设置,且；如果，均衡点为；否则：若，均衡点为；若,均衡点为。
21.所述步骤s4包括：根据计算得到的均衡点中和这三个参数的值，在md和无人机之间实现频谱交易通信，具体过程为：s401.md根据和的值发起频谱交易；若，则向无人机发起转发功率为的频谱交易；若，则不发起频谱交易；s402.无人机根据的值确定是否接受频谱交易；若，则无人机接受md发起的频谱交易；若，则无人机不接受频谱交易；s403.当md发起频谱交易且无人机接受频谱交易时，以有频谱交易的通信场景进行通信；否则，均以无频谱交易的通信场景进行通信。
22.在本技术的实施例中，给出仿真结果验证以上分析。除了spe，集中优化uav和md和效用的社会效益(social welfare)也在以下仿真中用来对比bne的性能。仿真参数设置为：mhz，，dbm/hz，db, db，w, db,且db.首先，为了考察spe性能和社会效益在完美信道状态信息下的情况，得出md和uav在不同下的传输速率，如图3所示。结果表明，社会效益使uav的传输速率提高了约bits/s，而md的传输速率降低了约bits/s。相反，由于作为第一个博弈者的md总是可以从两阶段博弈中受益，spe将md的速率提高了约bits/s。社会效益总是使和速率最大化，而导出的spe则仅保证所有玩家的传输速率达到均衡，而不能保证和速率是最大的。
23.然后，为了研究md和uav是否可以受益于信道统计信息，我们比较bne、spe和社会效益在不同下的性能，如图4所示。当时，已知信道统计信息下的md达到了bits/s的期望传输速率，优于其他所有具有完美信道状态信息的策略。说明md在较小时收益于统计信息，这也主要由于频谱交易总是在较低的情景下建立。当增加时，bne的md速率弱于spe, md不能从统计信道信息中获益。当时，bne下的传输速率比spe下的传输速率bits/s，说明在较佳情况下，uav受益于统计信道信息。
24.以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。