面向城市街区应急通信的无人机网络资源分配方法

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种面向城市街区环境应急通信的无人机网络资源分配方法。

背景技术：

1、景点、赛事场馆、公园等区域往往会在短时间内出现较明显的人群聚集现象。人群的聚集产生大量的通信业务，现有的地面通信基础设施可能难以满足骤然增加的通信需求，进而极易造成区域内严重的网络拥塞。配备收发机的无人机可以作为空中基站，利用较强的机动能力和较低的成本，为重点区域提供通信覆盖。

2、然而在实际无人机部署过程中，由于城区环境中存在各种建筑物和植物等障碍物，空地通信链路容易受到遮挡致使部分用户无法接入无人机通信服务。另外，随着用户数量和无人机数量的增加，多条空地链路之间的通信干扰急剧增加，极大地限制了无人机网络的服务质量。因此，在城市街区应急场景中，一方面，需要考虑无人机的空间资源约束，以规避障碍物遮挡，实现所有用户公平地接入通信服务；另一方面，需要考虑无人机的通信资源分配，以降低同频干扰，实现系统通信容量的提升，满足应急场景下用户的通信请求。

技术实现思路

1、本发明提供一种面向城市街区应急通信的无人机网络资源分配方法，主要用于无人机网络作为空中基站为地面用户提供应急通信服务的场景，以解决现有技术中空地通信链路受阻、通信干扰严重的技术问题，实现城市街区环境中无人机网络的高效资源分配。

2、本发明提供的面向城市街区应急通信的无人机网络资源分配方法，包括：

3、(一)建立通信模型：该模型中，无人机搭载通信基站为城区地面用户提供下行通信服务，每个无人机均搭载一个通信基站充当空中基站，每个无人机与连接该无人机的地面用户集合组成一个小区；无人机应用分层速率分割多址接入方法(hierarchical rsma)进行消息传输。

4、所述的分层速率分割多址接入方法设置多无人机平台之间有协作和协调两种模式；在协调模式下，无人机之间仅交互信道状态信息，每个无人机利用单层速率分割多址接入技术为自身关联的用户提供下行服务，小区内用户将来自其他无人机的下行消息视为小区间干扰；在协作模式下，无人机之间交互信道状态信息与用户所需服务数据，集中式地对消息进行分割，再由各个无人机进行编码发送，由此，小区内的用户可以收到来自多无人机的公有信号，来自其他无人机的下行消息中只有私有消息被视为小区间干扰。

5、所述的分层速率分割多址接入方法中，在协作模式下，无人机将接收的小区内的每个用户的消息被分为公有消息、次公有消息和私有消息三部分，无人机将全部用户的公有消息融合、编码为公有流，通过协作模式在无人机网络中进行交换互通，次公有消息和私有消息仅在无人机机载端处理，不进行交互；每个无人机将自身小区内的次公有消息融合、编码为次公有流，将各用户的私有消息进行编码。

6、(二)无人机网络应用分层速率分割多址接入方法，用户的消息被划分为公有消息、次公有消息和私有消息，经过融合、编码等处理后获得公有流、次公有流和私有流，无人机对公有流、次公有流和私有流预编码后，以广播方式在同一时刻在同一频段向所有地面用户发送出去。用户接收消息后，先解码公有消息，然后利用连续干扰消除(sic)技术提取剩余消息，随后解码次公有消息，再次利用sic技术提取私有消息，最后解码私有消息，计算每个用户解码消息的可达率。

7、(三)构建联合多无人机部署位置、预编码与速率分配以最大化最小用户可达率的优化问题；

8、设计目标函数为最小用户可达率，表示为：其中，为用户集合，ck为用户k的公有可达率比例，所有用户的公有可达率比例之和为最小的用户解码公有流的可达率；c′k为用户k的次公有可达率比例，无人机m小区内的所有用户的次公有可达率比例之和为该小区内最小的用户解码次公有流的可达率；为用户k解码私有流的可达率。

9、优化问题中的约束条件包括：

10、(1)所有用户的公有可达率比例之和小于等于每个用户解码公有流的可达率，表示为：为用户k解码公有流的可达率；

11、(2)小区m内所有用户的次公有可达率比例之和小于等于小区内每个用户解码次公有流的可达率，表示为：为无人机集合，为无人机m小区内的用户集合；为用户k解码次公有流的可达率；

12、(3)无人机m具有最大发射功率约束，表示如下：

13、

14、其中，为最大发射功率，pm,0为无人机m整合的公有流的预编码向量，p′m,0为无人机m整合的次公有流的预编码向量，pi为用户i私有流的预编码向量；

15、(4)所有用户的公有可达率比例和次公有可达率比例均大于等于0，表示为：

16、(5)无人机飞行安全距离约束，表示如下：

17、

18、其中，xm、xn分别为无人机m、无人机n的位置，dmin为安全距离；

19、(6)无人机在预先给定的空域内飞行，表示为：

20、(四)将所述优化问题分解为多无人机部署子问题和联合预编码与速率分配子问题，交替迭代求解两个子问题，直至目标收敛，输出最终求解的多无人机部署位置、预编码与速率分配。

21、所述的步骤四中，在交替迭代求解两个子问题时，首先初始化一组多无人机部署位置，求解联合预编码与速率分配子问题，求解时引入辅助变量对该子问题进行松弛，计算得到无人机的预编码矩阵与速率分配，获得最小的用户可达率；再基于得到的使用快速模拟退火算法求解多无人机部署子问题；在快速模拟退火算法中，迭代更新多无人机部署位置，对每个更新的满足约束的多无人机的部署位置，求解联合预编码与速率分配子问题，获得最小的用户可达率，计算与前一次搜索的多无人机部署位置对应的最小的用户可达率的差值，判断是否接受当前搜索得到的无人机位置，在迭代终止后，输出最终搜索的多无人机部署位置、对应的预编码矩阵p0,p′0,p和速率分配c、c′；其中，p0,p′0,p分别是所有无人机的公有流、次公有流和私有消息的预编码矩阵；c、c′分别是所有用户的公有可达率比例集合、次公有可达率比例集合。

22、本发明的优点与积极效果在于：

23、(1)本发明方法提出了一种新的接入技术—分层速率分割多址接入技术，通过协作与协调两种模式相结合，既更好地减少了小区间与小区内的干扰，又避免了平台之间频繁大量的数据交互。本发明使用的分层速率分割多址接入技术，与协调的速率分割多址接入技术相比，引入了协作模式，有效降低了小区之间的干扰；与协作的速率分割多址接入技术相比，由于协调模式的存在，减少了无人机之间的数据交互，缓解了通信压力。

24、(2)本发明方法提出应用快速模拟退火(very fast simulated annealing，vfsa)算法寻找多无人机基站的部署位置，其属于一种启发式搜索算法，可以实现对遮挡的灵活利用以降低同频干扰，获取全局最优解，规避了大量遮挡约束带来的复杂计算。

25、(3)本发明方法不仅仅适用于城市街区环境，还可以推广于山区救援、城市作战等场景。

技术特征：

1.一种面向城市街区应急通信的无人机网络资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤三中，计算每个用户解码消息的可达率的方式如下：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中，无人机在预先给定的空域内飞行，给定的空域中，设置了无人机允许飞行的最低高度和最高高度，以及允许飞行的平面区域；对于每个无人机m，还根据城区内的建筑物信息与用户位置，获得无人机与每个用户之间通信链路不受遮挡的可行部署区域。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的步骤四中，在交替迭代求解两个子问题时，首先初始化一组多无人机部署位置，求解联合预编码与速率分配子问题，求解时引入辅助变量对该子问题进行松弛，计算得到无人机的预编码矩阵与速率分配，获得最小的用户可达率；再基于得到的使用快速模拟退火算法求解多无人机部署子问题；在快速模拟退火算法中，迭代更新多无人机部署位置，对每个更新的满足约束的多无人机的部署位置，求解联合预编码与速率分配子问题，获得最小的用户可达率，计算与前一次搜索的多无人机部署位置对应的最小的用户可达率的差值，判断是否接受当前搜索得到的无人机位置，在迭代终止后，输出最终搜索的多无人机部署位置、对应的预编码矩阵p0,p′0,p和速率分配c、c′；其中，p0,p′0,p分别是所有无人机的公有流、次公有流和私有消息的预编码矩阵；c、c′分别是所有用户的公有可达率比例集合、次公有可达率比例集合。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤四中，使用快速模拟退火算法求解多无人机部署子问题，包括；

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤四中，固定多无人机部署位置，求解联合预编码与速率分配子问题如下：

技术总结
本发明公开了一种面向城市街区应急通信的无人机网络资源分配方法，属于无线通信技术领域。本发明方法首先提出了分层速率分割多址接入传输模型以应对小区内和小区间的通信干扰，对以无人机为空中基站的速率分割多址下行传输系统，将无人机网络的资源分配问题转化为联合多无人机部署位置、预编码与速率分配以最大化最小用户可达率的优化问题，然后基于快速模拟退火算法求解优化问题，获取无人机网络部署位置、预编码与速率分配。本发明方法解决了多条空地链路通信干扰严重与通信链路受障碍物遮挡的问题，可保证对城区地面用户通信服务的公平性覆盖，提升了系统通信容量，实现了城市街区环境中无人机网络的高效资源分配。

技术研发人员：赵中亮,肖猛,曹先彬
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22