面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入方法及系统

1.本发明涉及无人机通信技术领域，特别是涉及一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入方法及系统。


背景技术：

2.近年来，无人机因其高机动性、低成本等特性引起了业界的高度关注，在侦察监视、辅助通信和信息采集等军事和民用领域得到了广泛应用。随着无线通信技术的蓬勃发展，人们对信息传输速率的需求越来越高，用频设备呈爆炸式增长，可用频谱资源愈发稀缺且呈动态时变特性，因此，如何有效缓解频谱冲突、实现无人机群高效用频是当前面临的关键问题。
3.由于无人机群所处空间位置以及网络拓扑结构动态变化，无人机群内部信息传输信道特性也呈现动态时变特性，然而传统方法中通常考虑准静态的互扰信道。为快速高效实现无人机群内部用频协同，大多数研究都采用集中式网络架构或通过建立公共控制信道进行信息交互，在一定程度上能够减少无人机群内部用频冲突，例如：一篇文献通过集中控制器对用户频谱接入与切换实现统一管控，研究了数据猝发性和用户移动性条件下的传输队列稳定性问题，提出一种联合信道分配和功率控制的策略，使得系统具有较好的鲁棒性。但该策略没有考虑高度动态变化的无线环境，也未考虑集中控制带来的信令开销。为了克服集中控制存在的不足和控制信道带来的频谱开销，其他文献研究了时变频谱环境中面向干扰抑制的分布式信道选择问题，提出了一种完全分布式的非耦合随机学习算法，该方法虽然可以在时变无线环境下有效减轻用户间互扰，但并未考虑用户用频需求变化以及网络拓扑的时变性带来的影响，同时，该算法收敛速度也较慢。现有技术还研究了在无线环境变化缓慢情况下，采用深度强化学习方法来解决用户间的互扰问题。在用户数量和可用信道数量较少的情况下，所提算法能有效抑制用户间用频冲突，但是在用户数和信道较多情况下，用户间用频冲突缓解效果不佳。另外，现有技术针对信道分配问题给出了基于多臂赌博机的解决方案，但是不适用于业务数据猝发、无人机快速移动和无线通信等捷变的场景。
4.现实应用中无人机群主要面临以下问题：
5.(1)无人机群空间位置和网络拓扑结构动态变化，无人机所处无线通信环境具有时变性；(2)无人机群频谱资源受限对通信开销较为敏感，在捷变频谱环境下建立公共控制信道十分困难；(3)受限于无人机数据采集速率的波动性，集群中不同用户的用频需求实时变化。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入方法及系统，能有效缓解无人机群在各个信道上的用频冲突，提升信道有效利用率和系统吞吐量。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入方法，包括：
9.构建分布式无人机群通信网络；所述分布式无人机群通信网络用于为地面用户设备提供中继服务或者收集地面目标信息，并向基站实时传输到达的业务数据包；所述分布式无人机群通信网络包括n架无人机数量、一座基站和m个可用的信道；每个信道的带宽为b、每架无人机的飞行高度为h、第i架无人机在当前时隙n内的发射功率为pi(n)；
10.当所述下一时隙不为最后一个时隙时，确定当前时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道使用状态；
11.若当前时隙无人机的信道使用状态为0，则根据该无人机对应的当前时隙信道接入控制参数和下一时隙信道接入控制参数，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为0为当前时隙n内没有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包；
12.若当前时隙无人机的信道使用状态为1，则根据该无人机对应的当前时隙数据传输队列中积压的业务数据包，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为1为当前时隙n内有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包且未受到其他无人机干扰；
13.若当前时隙无人机的信道使用状态为2，则根据该无人机对应的当前干扰状态信息，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为2为当前时隙n内有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包且受到其他无人机干扰。
14.一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入系统，包括：
15.分布式无人机群通信网络构建模块，用于构建分布式无人机群通信网络；所述分布式无人机群通信网络用于为地面用户设备提供中继服务或者收集地面目标信息，并向基站实时传输到达的业务数据包；所述分布式无人机群通信网络包括n架无人机数量、一座基站和m个可用的信道；每个信道的带宽为b、每架无人机的飞行高度为h、第i架无人机在当前时隙n内的发射功率为pi(n)；
16.当前时隙无人机信道使用状态确定模块，用于当所述下一时隙不为最后一个时隙时，确定当前时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道使用状态；
17.下一时隙无人机信道接入概率计算模块，用于：
18.若当前时隙无人机的信道使用状态为0，则根据该无人机对应的当前时隙信道接入控制参数和下一时隙信道接入控制参数，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为0为当前时隙n内没有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包；
19.若当前时隙无人机的信道使用状态为1，则根据该无人机对应的当前时隙数据传输队列中积压的业务数据包，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为1为当前时隙n内有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包且未受到其他无人机干扰；
20.若当前时隙无人机的信道使用状态为2，则根据该无人机对应的当前干扰状态信息，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为2为当前时隙n内有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包且受到其他无人机干扰。
21.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
22.本发明针对时变频谱环境中无人机业务数据猝发情况中数据稳定传输需求，建立了无人机业务数据包生成和实时向基站传输的模型，以缓解无人机间用频冲突、增大系统吞吐量为目标，提出了基于多用户非耦合排队频谱接入方法，该方法利用自身感知能力检测获得空闲信道，分布式无人机间无需任何信息交互，无人机根据其传输需求、受到的干扰功率和历史信道使用状态等信息来构建学习效益函数，生成动态用频决策。仿真实验表明，在保证网络中所有无人机的业务数据队列保持稳定和用频公平性的前提下，所提方法能有效缓解无人机群在各个信道上的用频冲突，提升信道有效利用率和系统吞吐量。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入方法的流程示意图；
25.图2为本发明分布式无人机群通信网络的模型结构图；
26.图3为本发明无人机群业务数据传输处于临界稳定状态时其用频冲突率随着时间变化的曲线图；
27.图4为本发明无人机群业务数据传输处于临界稳定状态时其信道有效利用率随着时间变化的曲线图；
28.图5为本发明不同平均数据到达速率下，无人机群平均数据积压量随时间变化的曲线图；
29.图6为本发明无人机群最大平均稳定到达速率ρ
max
随可用信道数量m变化的曲线图；
30.图7为本发明可用信道数量m＝15时无人机处于临界稳定状态时无人机最大数据积压差变化过程图；
31.图8为本发明一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入系统的结构示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.实施例一
35.如图1所示，本实施例提供了一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入方法，包括：
36.步骤100：构建分布式无人机群通信网络；所述分布式无人机群通信网络用于为地
面用户设备提供中继服务或者收集地面目标信息，并向基站实时传输到达的业务数据包；所述分布式无人机群通信网络包括n架无人机数量、一座基站和m个可用的信道；每个信道的带宽为b、每架无人机的飞行高度为h、第i架无人机在当前时隙n内的发射功率为pi(n)。
37.本实施例考虑一个由多个无人机组成的分布式无人机群通信网络为地面用户设备提供中继服务(或者收集地面目标相关信息)，并向基站实时传输到达的数据，如图2所示。该网络包含1个基站和n架无人机，无人机群集合表示为n＝{1,...,i,...n}，基站用符号o表示，无人机网络包含m个可用信道，其集合表示为m＝{1,...,m,...m}。h为无人机群的飞行高度，是个固定的值，设定n＞m。本实施例只考虑无人机向基站传输业务数据包的链路。假设无人机移动区域为同一高度的二维有限平面区域，其被划分为多个等面积的方形栅格；基站位于高度为0的地面上，其位置固定不变。为便于模拟无人机随机移动过程，假设所有无人机移动都是独立的且在每个时隙内只能在某个网格点上，下个时隙无人机将选择继续停留在原网格点或移动到某个相邻网格点；假设无人机独立执行任务，无人机生成的或到达的(后续仅称“到达”)业务数据和向基站传输的数据量用单位数据包来衡量。
38.无人机向基站传输数据时，假设所有信道都经历块衰落，即信道增益在同一时隙中相同，在不同时隙间随机变化，则在时隙n信道m内无人机i与基站o间数据传输链路的瞬时增益为：
[0039][0040]
其中，m表示无人机i所选的信道序号，d
i,o
(n)是在时隙n内无人机i与基站o之间的距离，α是路径损耗指数，是在时隙n、信道m内无人机i与基站o之间的瞬时衰落系数，本实施例考虑瑞利衰落信道，则基站o在时隙n、信道m内接收到无人机i的信号功率p
i,m
(n)表示为：
[0041][0042]
如果两架无人机在同一时隙内选择同一信道，它们之间将会发生用频冲突，则无人机i在时隙n内受到的互扰信号强度ii(n)和传输速率ri(n)分别表示为：
[0043][0044][0045]
公式中si(ai(n))＝{j∈n\i:aj(n)＝ai(n)}表示在时隙n内，除无人机i以外所有使用信道ai(n)的无人机集合，n\i表示除去无人机i后无人机集合n中的所有无人机；ai(n)表示无人机i在时隙n内选择的信道，ai(n)∈m；aj(n)表示无人机j在时隙n内选择的信道，pj(n)表示无人机j在时隙n内的发射功率；为时隙n信道m内无人机j与基站o间数据传输链路的瞬时增益。σ2为噪声功率。设定每架无人机都有一个长度不受限制的业务数据传输队列，用于存储无人机到达的业务数据。对于任意时隙n≥0，根据当前时隙内无人机i的队列积压计算无人机i在下一个时隙的队列积压oi(n+1)可表示为：
[0046][0047]
其中，oi(n)表示无人机i在时隙n时的队列积压，bi(n)＝1表示时隙n内无人机i占用信道向基站传输数据，bi(n)＝0表示时隙n内无人机i不占用信道向基站传输数据；νi(n)为无人机i在时隙n内向基站传输的业务数据包的数量；ai(n)表示在时隙n内到达无人机i的业务数据包数量，有ai(n)≤a
max
。假设时隙n内到达无人机i的业务数据包数量ai(n)服从参数为ρ的泊松分布，即当无人机经历的时隙足够多时，ρ为无人机i在单个时隙内业务数据包平均到达数量，本实施例将ρ称为无人机的平均到达速率。
[0048]
无人机频谱分配与接入首要解决的是减少或消除无人机间的用频冲突以及提高信道有效利用率。本实施例将前n个时隙无人机间用频冲突率(简称为“用频冲突率”)k(n)定义为：
[0049][0050]
其中，c1(x)为时隙x时与其他无人机发生冲突的无人机总数量，n为总无人机数量。将前n个时隙信道的有效利用率l(n)定义为：
[0051][0052]
其中，c2(x)为时隙x被有效利用的信道数量，m为可用信道总数量；对于定义当且仅当有一架无人机在使用信道m，称信道m被有效利用。
[0053]
此外，本实施例希望能够在单位时间内传输更多的业务数据包，因此，在确保所有无人机的业务数据包传输稳定情况下，应当最大化系统的最大稳定平均数据到达速率ρ
max
，可表示为
[0054]
综上分析，本实施例的目标是找到一个均衡策略σ可以最小化无人机间用频冲突率、最大化信道的有效利用率和最大化最大平均稳定到达速率(系统吞吐量)ρ
max
，即有：
[0055][0056][0057][0058]
其中，c|d表示满足条件d的c。k(n)|σ表示满足均衡策略σ的用频冲突率k(n)；l(n)|σ表示满足均衡策略σ的有效利用率l(n)；ρ
max
|σ表示满足均衡策略σ的最大化最大平均稳定到达速率ρ
max
。
[0059]
由(8)-(10)式可见不仅要考虑系统无人机群用频冲突和信道有效利用率，还要考虑到无人机的数据积压变化。
[0060]
为保证无人机的业务数据包传输队列中数据积压稳定，需根据数据积压情况实时更新系统信道分配策略。为控制无人机的信道接入，引入zi(n)来表示无人机i在时隙n接入
信道的控制参数，zi(n)≥0，用表示无人机群信道接入控制参数向量。
[0061]
无人机i在时隙n的信道使用状态定义为stai(n)，其中：stai(n)＝0表示在时隙n内没有信道传输无人机i数据积压中的数据；stai(n)＝1表示在时隙n内有信道传输无人机i数据积压中的数据，且没有受到其他无人机的干扰；stai(n)＝2表示在时隙n内有信道传输无人机i数据积压中的数据，且遭受其他无人机的干扰。
[0062]
当无人机使用信道传输其数据积压中的数据时，通过能量检测方法可以判断出其是否遭受其他无人机的干扰。
[0063]
在确保所有无人机的业务数据包传输队列中数据积压保持稳定的前提下，对于无人机i∈n，其处于不同状态时其频谱接入策略不同，分为以下三种情况：
[0064]
(1)当stai(n)＝0时，无人机i为保持无人机的数据积压稳定在一定的范围之内，既满足公式(10)中ρ
max
的需求，其需传输队列积压的数据，无人机需寻找空信道接入；为避免无信息交互下无人机间存在用频冲突，无人机i在0状态下保持1个时隙，其信道接入控制参数的更新为zi(n+1)＝zi(n)+1，无人机i在0状态下至少保持n-m个时隙数，即满足zi(n)≥n-m时，无人机i才能接入可用空信道，其接入所有可用空信道概率都相同。此时无人机i下一个时隙时接入信道r(r∈m)的概率为：
[0065]
当zi(n)≥n-m，
[0066][0067]
当zi(n)≤n-m，
[0068][0069]
其中，y(n)＝{1,...y,...y(n)}为在时隙n时可接入的空闲信道集合，y(n)为在时隙n内空闲信道数。q
i,r
(n+1)表示下一时隙n+1第i架无人机接入信道r的概率，q
i,0
(n+1)表示下一时隙n+1第i架无人机不接入任何信道的概率。c\d表示所有属于c且不属于d的元素，即r∈m\y(n)表示信道r属于信道集合m不属于空闲信道集合y(n)。
[0070]
(2)当stai(n)＝1时，若无人机i使用信道m，为了避免其长时间占用信道资源，造成其他无人机无法有效使用信道，当其数据积压量小于一定值δ时，在下一个时隙初，无人机i将释放所占用的信道，以供staj(n)＝0且参数zj(n)≥n-m的无人机使用，j∈n，并且无人机i在下一个时隙的信道使用状态变为0；当其数据积压量大于δ时，无人机i继续保持原有的状态。无论无人机i在上一个时隙的信道使用状态如何，无人机i已经达到了单独占用信道的目标，则在下个时隙内其信道接入参数zi(n+1)＝0。此时无人机i下一个时隙接入信道r的概率为：
[0071]
当oi(n)》δ，
[0072]
[0073]
当oi(n)《δ，
[0074][0075]
其中，r∈m\m表示信道r属于信道集合m不属于信道m，δ为无人机i释放占用信道的阈值，用于控制无人机释放占用信道，以确保所有无人机的利益；oi(n)为当前时隙n内第i架无人机数据传输队列中积压的业务数据包；m表示当前时隙n内第i架无人机所占用的信道。
[0076]
(3)当stai(n)＝2时，若无人机接入信道m，为避免下个时隙无人机间继续在信道m发生互扰，也为了避免在其他信道上与其他无人机发生用频冲突，该无人机将依概率退出或留在原信道。在当前时隙中，无人机i因受到来自其它无人机的干扰无法有效利用信道进行数据传输，在下个时隙可能退出原信道，为了减少其影响，不改变信道接入控制参数，即zi(n+1)＝zi(n)，从而避免重新排队，有效地避免了其数据积压量大量增长。无人机i在下一个时隙n+1接入信道r的概率q
i,r
(n+1)为：
[0077][0078]
其中p
i,r
(n)和ii(n)分别为时隙n内在信道r内基站o接收到无人机i的信号强度和接收无人机i的信号受到的互扰信号强度，σ2为噪声功率。
[0079]
在时隙n内，当两架及两架以上无人机同时使用信道m时会产生互扰，对于满足条件ai(n)＝m的无人机i，为避免无人机在信道m上继续产生互扰，在下一个时隙初，如式所示，其选择留在原信道m的概率为
[0080]
综上所述，无人机在状态0时接入空闲信道需通过排队接入，从而有效避免了由状态2变为状态1和由状态0变为状态1时多无人机同时随机接入同一信道而造成的冲突；另外，当信道m上有多架无人机同时接入时，产生冲突的无人机将按照一定概率选择退出或留在信道m，在一定程度上也有效避免了原信道继续发生冲突；无人机根据业务数据传输稳定性，按需频繁地交替使用信道时，有效避免了与其他无人机发生互扰，在时隙n时，这能有效降低c1(n)和有效提升c2(n)，从而能有效降低k(n)和提升l(n)。l(n)提升使得无人机群的ρ
max
值相应地提升；此外，当无人机信道使用状态为1且其数据积压量小于阈值δ时，无人机在下一个时隙将释放其占用的信道，从而避免了长时间占用有限的频谱资源，提升了ρ
max
值。
[0081]
根据以上分析可以得到无无人机i的信道接入控制参数zi(n)与历史信道使用状态的对应关系如表1所示。
[0082]
表1无人机i的信道接入控制参数zi(n)与历史信道使用状态的对应关系表
[0083][0084]
从表1可以看出无人机i在时隙n时可以根据当前时隙的信道接入控制参数zi(n)和上一个时隙的信道接入控制参数zi(n-1)得出下一个时隙的信道接入控制参数zi(n+1)。
[0085]
其中，stai(n)＝0表示当前时隙n第i架无人机的信道使用状态为0，stai(n-1)＝0表示上一时隙n-1第i架无人机的信道使用状态为0，stai(n)＝1表示当前时隙n第i架无人机的信道使用状态为1，stai(n-1)＝1表示上一时隙n-1第i架无人机的信道使用状态为1，stai(n)＝2表示当前时隙n第i架无人机的信道使用状态为2，stai(n-1)＝2表示上一时隙n-1第i架无人机的信道使用状态为2。
[0086]
zi(n)表示当前时隙n第i架无人机的信道接入控制参数，zi(n+1)表示下一时隙n第i架无人机的信道接入控制参数。
[0087]
鉴于此，本实施例所述方法的步骤200为：
[0088]
当所述下一时隙不为最后一个时隙时，确定当前时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道使用状态，具体包括：当所述下一时隙不为最后一个时隙时，根据当前时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道接入概率，确定当前时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道使用状态。
[0089]
本实施例所述方法的步骤300为：
[0090]
若当前时隙无人机的信道使用状态为0，则根据该无人机对应的当前时隙信道接入控制参数和下一时隙信道接入控制参数，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为0为当前时隙n内没有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包；
[0091]
若当前时隙无人机的信道使用状态为1，则根据该无人机对应的当前时隙数据传输队列中积压的业务数据包，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为1为当前时隙n内有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包且未受到其他无人机干扰；
[0092]
若当前时隙无人机的信道使用状态为2，则根据该无人机对应的当前干扰状态信息，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为2为当前时隙n内有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包且受到其他无人机干扰。
[0093]
在执行步骤200之后，所述无人机群频谱接入方法还包括：
[0094]
步骤a：计算下一时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道接入控制参数。
[0095]
步骤b：计算下一时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的数据传输队列中积压的业务数据包。
[0096]
其中，步骤a：根据当前时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道使用状态以及上一时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道使用状态，计算下一时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道接入控制参数。
[0097]
进一步地，根据上述表1计算下一时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道接入控制参数。
[0098]
步骤b：根据以下公式计算下一时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的数据传输队列中积压的业务数据包；所述以下公式为：
[0099][0100]
其中，oi(n+1)表示第i架无人机在下一时隙n+1内数据传输队列中积压的业务数据包，oi(n)表示第i架无人机在当前时隙n内数据传输队列中积压的业务数据包，bi(n)＝1表示当前时隙n内第i架无人机占用信道向基站传输数据，bi(n)＝0表示当前时隙n内第i架无人机不占用信道向基站传输数据；νi(n)为第i架无人机在当前时隙n内向基站传输的业务数据包的数量；ai(n)表示在当前时隙n内到达第i架无人机的业务数据包数量。
[0101]
所述若当前时隙无人机的信道使用状态为0，则根据该无人机对应的当前时隙信道接入控制参数和下一时隙信道接入控制参数，确定下一时隙该无人机的信道接入概率，具体包括：
[0102]
当stai(n)＝0且zi(n+1)＞5时，采用能量检测法检测出所有空闲信道；其中，stai(n)＝0表示当前时隙n第i架无人机的信道使用状态为0，zi(n+1)表示下一时隙n第i架无人机的信道接入控制参数；
[0103]
当zi(n)≥n-m，
[0104][0105]
当zi(n)≤n-m，
[0106][0107]
其中，zi(n)表示当前时隙n第i架无人机的信道接入控制参数，q
i,r
(n+1)表示下一时隙n+1第i架无人机接入信道r的概率，y(n)＝{1,...y,...y(n)}为在当前时隙n时第i架无人机可接入的空闲信道集合，y(n)为在当前时隙n内第i架无人机对应的空闲信道数；r∈m\y(n)表示信道r属于信道集合m不属于空闲信道集合y(n)；r∈m表示信道r属于信道集合m；r∈y(n)表示信道r属于空闲信道集合y(n)；r＝0表示信道r不存在。
[0108]
所述若当前时隙无人机的信道使用状态为1，则根据该无人机对应的当前时隙数据传输队列中积压的业务数据包，确定下一时隙该无人机的信道接入概率，具体包括：
[0109]
当oi(n)》δ，
[0110][0111]
当oi(n)《δ，
[0112][0113]
其中，δ为第i架无人机释放占用信道的阈值；oi(n)表示第i架无人机在当前时隙n内数据传输队列中积压的业务数据包；m表示当前时隙n内第i架无人机所占用的信道；q
i,r
(n+1)表示下一时隙n+1第i架无人机接入信道r的概率；r∈m\m表示信道r属于信道集合m不为信道m；r∈m表示信道r属于信道集合m；r＝m表示信道r为信道m；r＝0表示信道r不存在。
[0114]
所述若当前时隙无人机的信道使用状态为2，则根据该无人机对应的当前干扰状态信息，确定下一时隙该无人机的信道接入概率，具体包括：
[0115][0116]
其中，q
i,r
(n+1)表示下一时隙n+1第i架无人机接入信道r的概率；p
i,r
(n)和ii(n)分别为在当前时隙n内在信道r内基站o接收到的第i架无人机的信号强度和基站o接收到的第i架无人机信号受到的互扰信号强度，σ2为噪声功率；r∈m\m表示信道r属于信道集合m不为信道m；r＝m表示信道r为信道m；r＝0表示信道r不存在。
[0117]
为解决以上无人机频谱接入问题，本实施例提出了基于多用户非耦合排队频谱接入算法，如表2所示。在时隙n内，无人机i根据生成的qi(n)选择信道接入，(qi(n)为无人机i在时隙n接入m中所有信道的概率集合，qi(n)＝{q
i,r
(n)}
r∈m
)。无人机选择信道接入后根据2.1节给出无人机i在时隙n和n-1的信道使用状态，以及表1的信道接入控制参数zi(n+1)，当stai(n)＝0且zi(n+1)＞5，则采用能量检测方法获得所有空闲信道集y(n)；无人机根据其在时隙n+1内数据积压oi(n+1)以及时隙n内信道使用状态stai(n)、空闲信道集y(n)和信道接入控制参数zi(n)，利用公式(12)、(14)和(15)计算得出其信道接入概率向量qi(n+1)。
[0118]
表2基于多用户非耦合排队频谱接入算法表
[0119]
[0120][0121]
[0122]
根据表2给出的算法和复杂度计算方法可知，所提算法的计算次数跟10m呈线性关系，即o(10m)。本发明实施例用于对比分析的随机频谱接入算法(random spectrum access algorithm，rsaa)是一种多个移动同时随机接入信道方法，其复杂度为o(2m)；基于效用的分布式子信道分配算法(utility-based distributed subchannel allocation algorithm,udsa)
[14]
是一种通过对每个局中用户引入一个额外状态变量“情绪”来控制信道接入的算法，其复杂度为o(2m)，本文提出的算法复杂度稍比现有算法高，但相对来说是可以接受的。
[0123]
为了验证所提方法的性能，以随机频谱接入算法(random spectrum access algorithm，rsaa)和现有提出的基于效用的分布式子信道分配算法(utility-based distributed subchannel allocation algorithm，udsa)作为比较对象。设置无人机数量n＝20，噪声功率σ2＝-100dbm，信道带宽b＝3mhz，δ＝2ρ，传播路径衰落系数α＝2。无人机飞行高度均为h＝50m、运动范围为2000m
×
2000m，网格面积为2m
×
2m，基站位于平面中心的正下方、高度为0的位置；无人机发射功率均为pi＝24.77dbm；数据包大小为3
×
104bits。
[0124]
图3给出了无人机群业务数据传输处于临界稳定状态时其用频冲突率随着时间变化的曲线，其中，m＝15。从图中可以看出无人机系统在不同算法下处于各自临界稳定状态时，所提算法相比于其它两种算法，其用频冲突率显著减小，并随着时间增加，其用频冲突率逐渐降低，最后稳定在3％左右。这是由于所提算法中无人机在状态0时接入空闲信道需通过排队接入，从而有效避免了由状态2变为状态1和由状态0变为状态1时多无人机同时随机接入同一信道而造成的冲突；另外，当信道m上有多架无人机同时接入时，产生冲突的无人机将按照一定概率选择退出或留在信道m，在一定程度上也有效避免了原信道继续发生冲突；无人机根据业务数据传输稳定性，按需频繁地交替使用信道时，有效避免了与其他无人机发生互扰。
[0125]
图4给出了无人机群业务数据传输处于临界稳定状态时其信道有效利用率随着时间变化的曲线，其中，m＝15。从图中可以看出，所提方法中无人机群系统的信道有效利用率显著大于udsa方法和rsaa方法。随着时间的增加，信道有效利用率逐渐增加，最后稳定在89％左右。这种变化趋势跟图3相同。
[0126]
图5给出了不同ρ值下，无人机群平均数据积压量随时间变化的曲线。从图5中(a)到图5中(d)，网络中平均数据到达速率ρ分别为9个数据包/时隙、10个数据包/时隙、11个数据包/时隙和33个数据包/时隙。从仿真结果可以看出，在图5中(a)、图5中(b)、图5中(c)中使用udsa方法和rsaa方法时无人机的数据积压量变化过程都呈非线性增长，而在图5中(d)中这一变化呈线性关系。这是因为在平均数据到达率较低的情况下，udsa方法和rsaa方法尚能在一定程度上完成积压数据的传输，因此其平均数据积压量呈现一定波动性；当平均到达率ρ达到33个数据包/时隙时，udsa方法和rsaa方法在单位时间内传输的数据量相比于单位时间内到达的数据量和数据积压量，几乎可以忽略不记，因此使用上述两种方法时无人机的平均数据积压量几乎呈线性增长。与之形成鲜明对比的是，在不同数据达到率情况下，所提算法中无人机的平均数据积压量基本保持稳定，从而验证了在高业务负载情况下，所提算法可以合理利用频谱资源有效完成数据传输。
[0127]
图6给出了可用信道数量m不同情况下无人机群最大稳定平均到达速率ρ
max
的变化情况。从图中可以看出，三种方法中无人机群的ρ
max
值都随信道数量增加而提升，但所提算
法中无人机群的ρ
max
值(或最大传输速率)相比udsa提高了1.38～2.3倍，相比usaa算法提高了1.7～2.7倍，这是由于所提方法的信道有效利用率显著高于其他两种方法；此外，当无人机的信道使用状态为1且其数据积压量小于阈值δ时，无人机在下一个时隙将释放其占用的信道，从而避免了长时间占用有限的频谱资源，提升了系统吞吐量。
[0128]
由于无人机数据积压与平均数据到达速率和传输速率相关，即数据积压一定时，无人机传输速率直接受平均数据到达率的影响，无人机传输速率伴随着平均数据到达率的提升而提升，从而使得无人机群吞吐量性能得到提升。
[0129]
由于不同算法下无人机群处于临界稳定状态时，无人机的平均业务数据包到达速率不同，为了比较三种算法的无人机用频公平性，以所提算法的ρ
max
为标准对无人机最大数据积压差(即无人机机群中最大无人机数据积压量减去最小无人机数据积压量)进行归一化处理。例如，所提算法和udsa算法的系统的ρ
max
值分别为33个数据包/时隙和10个数据包/时隙、无人机在时隙n的最大数据积压差分别为o1(n)和o2(n)，那么对o1(n)和o2(n)进行归一化处理：
[0130]
图7给出了可用信道数量m＝15时无人机处于临界稳定状态时无人机最大数据积压差变化过程。从图7可以看出，相比其他两种算法，所提算法中无人机处于临界稳定状态时其最大数据积压差更小，其变化也较为稳定，有效确保了无人机间用频公平性。这是由于所提算法能使无人机按需接入信道，当无人机数据积压低于阈值δ时，其将在下一个时隙自动释放所占用信道，以供其他无人机使用，有效地避免单个无人机长时间不能有效使用信道(信道使用状态不为1)，从而使得最大无人机数据积压差得到有效控制；此外，当无人机由信道使用状态0变为信道使用状态2时，其在下一个时隙的信道使用状态变为2，其信道接入控制参数不变，避免了重新排队过程，从而在一定程度上避免了其数据积压量的增长。
[0131]
实施例二
[0132]
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入系统。
[0133]
如图8所示，本实施例提供的一种面向数据传输稳定性的无人机群频谱接入系统，包括：
[0134]
分布式无人机群通信网络构建模块1，用于构建分布式无人机群通信网络；所述分布式无人机群通信网络用于为地面用户设备提供中继服务或者收集地面目标信息，并向基站实时传输到达的业务数据包；所述分布式无人机群通信网络包括n架无人机数量、一座基站和m个可用的信道；每个信道的带宽为b、每架无人机的飞行高度为h、第i架无人机在当前时隙n内的发射功率为pi(n)。
[0135]
当前时隙无人机信道使用状态确定模块2，用于当所述下一时隙不为最后一个时隙时，确定当前时隙所述分布式无人机群通信网络中每架所述无人机的信道使用状态。
[0136]
下一时隙无人机信道接入概率计算模块3，用于：
[0137]
若当前时隙无人机的信道使用状态为0，则根据该无人机对应的当前时隙信道接入控制参数和下一时隙信道接入控制参数，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为0为当前时隙n内没有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包；
[0138]
若当前时隙无人机的信道使用状态为1，则根据该无人机对应的当前时隙数据传
输队列中积压的业务数据包，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为1为当前时隙n内有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包且未受到其他无人机干扰；
[0139]
若当前时隙无人机的信道使用状态为2，则根据该无人机对应的当前干扰状态信息，确定下一时隙该无人机的信道接入概率；所述当前时隙无人机的信道使用状态为2为当前时隙n内有信道传输该无人机数据传输队列中积压的业务数据包且受到其他无人机干扰。
[0140]
本发明研究了在业务数据传输队列稳定前提下的无人机群频谱接入问题，以缓解无人机间用频冲突、提升信道有效利用率和系统吞吐量为目标，提出了基于多用户非耦合排队频谱接入方法。仿真结果表明所提算法有效降低了无人机间用频冲突率、提升了信道有效利用率和系统吞吐量；此外，该算法适用于无人机内部和外部环境捷变的情况，如业务数据猝发、无线通信环境捷变等并存的场景。然而，本发明是假设无人机的业务数据包平均到达数量为已知的场景，在ρ值无法提前获取或无人机在每个时隙的业务数据包到达数量无规律变化的情况下，无人机不能及时更改自身的功率，将导致自身能量不必要的消耗，因此，在未来研究中将对上述实际情况下无人机动态频谱接入方法进行探索。
[0141]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0142]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。