一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法组成比例

本发明专利技术的目的是提供一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法，一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法，通过Stackelberg博弈对无人机和地面用户的功率分配问题进行建模，基于价格建立博弈双方的效用函数；对建模之后得到的具有均衡约束的均衡规划问题进行求解：在固定上层领导者的策略的基础上，先求解博弈下层多个用户的优化问题的均衡解，再求解上层多无人机基站的均衡解。解决了现有多无人机作为空中基站辅助地面用户通信网络中存在的相邻无人机对地面用户的干扰问题。

A Downlink Power Allocation Method Based on Multi-UAV Auxiliary Communication Network

【技术实现步骤摘要】
一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法。
技术介绍
随着自然生态环境的变化，世界各地破坏性自然灾害频发，地面通信基础设施很容易遭到严重破坏，单一的通信技术手段已无法满足复杂多样的抢险救灾需求，利用无人机搭建一套应急通信系统具有很强的应用价值，但是，在多无人机作为空中基站辅助地面用户通信网络中存在的相邻无人机对地面用户的干扰问题。因此，为了提高基于多无人机辅助地面用户通信的服务质量，在最大功率的约束下，设计一种功率分配方案很有必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法，以解决现有多无人机作为空中基站辅助地面用户通信网络中存在的相邻无人机对地面用户的干扰问题。本专利技术采用以下技术方案：一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法，通过Stackelberg博弈对无人机和地面用户的功率分配问题进行建模，基于价格建立博弈双方的效用函数；对建模之后得到的具有均衡约束的均衡规划问题进行求解：在固定上层领导者的策略的基础上，先求解博弈下层多个用户的优化问题的均衡解，再求解上层多无人机基站的均衡解。进一步的，基于价格建立博弈双方的效用函数为：1)在基站处的效用函数表示为：s.t.cjn≥0，其中，是第j个无人机的效用函数，cjn是第j个无人机基站对自己所服务的第n个用户所发送的每单位功率所收取的价格,pjn是第j个无人机基站分配给自己所服务的第n个用户的功率,M是无人机的集合，Nj是第j个无人机所服务的用户集合；2)第j个无人机基站对自己所服务的第n个用户的效用函数表示如下：Ujn＝Rjn-cjnpjn，其中，Ujn是第j个无人机基站所服务的第n个用户的效用函数,Rjn第j个无人机所服务的第n个用户的速率。进一步的，下层多个用户的优化问题的均衡解的求解的具体过程为：利用拉格朗日乘数法在无人机最大发射功率的约束下进行求解，并利用二分搜索法对拉格朗日乘子进行求解，在得到单个用户最优策略的基础上，利用分布迭代算法求解下层多个用户的优化问题的均衡解。进一步的，利用分布迭代算法求解下层多个用户的优化问题的均衡解的具体过程为：首先，根据求解得到单个用户的最优策略，其中，是第j个无人机所服务的第n个用户的最佳分配策略，λj是和第j个无人机相关的拉格朗日乘子，pkn表示第k个基站对第n个用户的发射功率；在每次迭代中，将上一次迭代所计算出的其他无人机基站所服务的用户的最佳策略带入进行求解，一直重复该过程，直到||p(t)-p(t-1)||2/||p(t-1)||2＜σ；其中，p(t)是在第t次迭代时所有用户的最优策略的集合，p(t-1)是在第(t+1)次迭代时所有用户的最优策略的集合，σ＝0.001，σ为收敛乘子。进一步的，上层多个无人机的优化问题的均衡解的求解的具体过程为：将下层用户的均衡解带入上层无人机基站的优化问题中，其中，无人机的最优定价策略可以由以下公式得出：其中，γjn是除了用户n以外其他所有用户的功率的函数，所有无人机最优策略的集合就是上层博弈问题的均衡解。本专利技术的有益效果是：通过本专利技术提出的基于多无人机作为空中基站辅助地面用户通信网络的下行功率分配方案，可以在无人机最大功率约束下，实现对所服务用户的功率分配，并且相比较于平均功率分配方案，用户可以实现更高的速率，这就说明，本方案所要解决的相邻无人机对地面用户的干扰问题得到了很好的改善。而且，相比较于平均功率分配，本方案中无人机的单位功率可以在用户处实现更高的速率，说明本方案提高了无人机作为基站的系统容量。另外，虽然本方案用到了迭代算法，但是收敛性非常好，只需要几次迭代就可以收敛。【附图说明】图1为本专利技术一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法的模型图；图2为本专利技术一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法的分布式迭代算法的收敛性；图3为本专利技术一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法的无人机和用户的总效用。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。如附图1所示，本专利技术考虑一种基于多无人机作为空中基站辅助地面用户进行通信的网络，其中包含多个无人机和多个地面用户。在考虑相邻无人机基站对地面用户的干扰问题的基础上，同时考虑无人机最大功率条件的约束，为了提高无人机基站的系统容量和地面用户的速率，本专利技术采用的方法包括：通过基于多领导多跟随者的Stackelberg博弈对无人机和地面用户的功率分配问题进行建模，对于建模后得到的EPEC问题，分别求解下层优化问题和上层优化问题。本专利技术所研究的系统模型为具有多个无人机作为空中基站辅助多个地面用户进行通信的网络。原理框图如图1所示，在该模型中，有M≥1个无人机部署在空中，每个无人机基站用来协助地面N≥1个用户进行通信。每个节点配备一根天线。无人机基站和用户的集合分别表示为M和N，其中|M|＝M，|N|＝MN。假设前将第j个无人机基站j到自己所服务的第n个用户的信道增益表示为hjn，j∈M＝{1,2,...,M},n∈Nj＝{1,2,K,N}，其中，表示集合N是每个无人机基站所服务的用户的集合Nj的并集。该模型采用3D笛卡尔坐标系，无人机基站j所服务的地面用户n的坐标固定在wjn＝[xjn,yjn]T∈R2×1，每个无人机基站飞行在固定的高度H，并且假设无人机水平位置是不变的。每个无人机的水平坐标表示为qj＝[xj,yj]T∈R2×1。因此，无人机基站j到用户n的距离可以表示为：在该模型中，假设从UAV基站到地面用户的通信链路由视距链路支配，其中信道质量仅取决于UAV和用户之间的距离。因此，从第j个UAV到用户n的信道功率增益遵循自由空间路径损耗模型，其可以表示为：其中，ρ0是参考距离d0＝1m所对应的信道功率。无人机基站通过正交多址接入的方式和地面用户进行信号的传输。网络中存在n条正交的信道，开放给无人机基站使用，并假设第j个无人机基站在信道n上发送信息给自己所服务的第n个用户。因此，第j个无人机基站发送信号给自己所服务的第n个用户时的信干噪比为：其中，pjn表示第j个无人机基站对第n个用户的发射功率，表示来自其他无人机基站对用户n的同信道干扰，hkn是基站k到第j个基站所服务的用户n的信道增益，pkn表示第k个基站对第n个用户的发射功率，σ2是加性高斯白噪声的功率。在此模型中主要考虑干扰的影响，故假设所有的基站在n条信道上分别发送信号给自己所服务的n个用户时，具有相同的噪声功率。因此，对于第j个无人机基站所服务的第n个用户可得到的速率为：Rjn＝log2(1+SINRjn)(4)。本专利技术一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法提出的方案详细方法如下：1、Stackelberg博弈进行建模：为了最大化每个无人机基站的系统容量，同时减少对其他无人机基站所服务的用户的干扰，本专利技术通过Stackelberg博弈对无人机基站和用户之间的功率分配问题进行建模。在本专利技术中，将每个无人机基站作为领导者，无人机基站对发给每个用户的每单位功率进行定价cj,n，并对发给用户的功率收取一定的价格，以此来最大化自己的收入因此，在基站处的优化函数可表示为：s.t.cj本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法，其特征在于，通过Stackelberg博弈对无人机和地面用户的功率分配问题进行建模，基于价格建立博弈双方的效用函数；对建模之后得到的具有均衡约束的均衡规划问题进行求解：在固定上层领导者的策略的基础上，先求解博弈下层多个用户的优化问题的均衡解，再求解上层多无人机基站的均衡解。

【技术特征摘要】
1.一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法，其特征在于，通过Stackelberg博弈对无人机和地面用户的功率分配问题进行建模，基于价格建立博弈双方的效用函数；对建模之后得到的具有均衡约束的均衡规划问题进行求解：在固定上层领导者的策略的基础上，先求解博弈下层多个用户的优化问题的均衡解，再求解上层多无人机基站的均衡解。2.如权利要求1所述的一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法，其特征在于，所述基于价格建立博弈双方的效用函数为：1)在基站处的效用函数表示为：s.t.cjn≥0，其中，是第j个无人机的效用函数，cjn是第j个无人机基站对自己所服务的第n个用户所发送的每单位功率所收取的价格,pjn是第j个无人机基站分配给自己所服务的第n个用户的功率,M是无人机的集合，Nj是第j个无人机所服务的用户集合；2)第j个无人机基站对自己所服务的第n个用户的效用函数表示如下：Ujn＝Rjn-cjnpjn，其中，Ujn是第j个无人机基站所服务的第n个用户的效用函数,Rjn第j个无人机所服务的第n个用户的速率。3.如权利要求1或2所述的一种基于多无人机辅助通信网络的下行功率分配方法，其特征在于，下层多个用户的优化问题的均衡解的求解的具体过程为：利用拉格朗日乘数法在无人机最大发射功率的约束下...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立欣，刘笑敏，李旭，梁微，杨富程，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61