一种异构需求下的空地协同分层部署模型及其接入方法技术

本发明专利技术公开了一种异构需求下的空地协同分层部署模型及其接入方法。具体而言：在空地融合网络中，构建了一个空地分层博弈模型。无人机群根据地面用户的异构需求分布，调整其三维位置达到覆盖效果最优；地面用户根据无人机群所部署的位置选择接入哪架无人机以获得更高的服务满意度；循环交替迭代无人机位置部署和用户的接入无人机选择，直至无人机群位置和地面用户的接入点均收敛至最优解。本发明专利技术方法完备，物理意义清晰，能够很好地应用于无人机辅助地面通信网络中。辅助地面通信网络中。辅助地面通信网络中。

【技术实现步骤摘要】
一种异构需求下的空地协同分层部署模型及其接入方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种异构需求下的空地协同分层部署接入方法。

技术介绍

[0002]随着移动用户需求的逐渐增长，第五代(5G)无线接入网有望提供无处不在的、可持续的高数据率通信服务。传统的无线通信系统主要由地面基站、接入点和中继等固定的地面基础设施组成。但是，地面基站的部署是静态的，有时可能限制它们应付某些情况的能力。现有文献对无人机通信增强有了广泛的研究，其中大多数以优化吞吐量为中心。(参考文献：Jiang B,Yang J,Xu H,et al.Multimedia Data Throughput Maximization in Internet
‑
of
‑
Things System Based on Optimization of Cache
‑
Enabled UAV[J].IEEE Internet of Things Journal,2019,6(2):3525
‑
3532.)。考虑到用户的个性化需求，我们可以探索增益的另一个维度，即用户需求满意度增益。用户需求满意度是建立在不同吞吐量需求的基础上的。根据请求数据类型和用户首选项的不同，在相同的吞吐量下，用户可能获得不同的满意程度。与现有的以用户吞吐量为中心的优化方法相比，如果我们能够将不同的用户需求与异构无线网络的带宽资源进行适当匹配，则存在潜在的性能增益(参考文献：Du Z,Wu Q,Yang P,et al.Exploiting User Demand Diversity in Heterogeneous Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2015,14(8):4142
‑
4155.)
[0003]然而，上述提到的研究中都没有将异构需求满意度用于无人机辅助通信网络中，而在实际的无人机通信场景中，地面用户的个性化需求是一个不容忽视的因素。此外，多无人机之间因位置变动产生的耦合问题也没有得到解决。因此，联合优化无人机群的位置部署和地面用户的无人机接入选择以实现地面用户满意度最大化非常符合现实意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于构建一种更加符合实际的无人机通信网络场景中的覆盖部署模型，以及提供一种异构需求下的空地协同分层部署接入方法。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种异构需求下的空地协同分层部署接入方法。在空地融合网络中，构建了一个空地分层博弈模型。无人机群根据地面用户的异构需求分布，调整其三维位置达到覆盖效果最优；地面用户根据无人机群所部署的位置选择接入哪架无人机以获得更高的服务满意度；循环交替迭代无人机位置部署和用户的接入无人机选择，直至无人机群位置和地面用户的接入点均收敛至最优解。
[0006]一种异构需求下的空地协同分层部署接入方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，将空地协同传输问题，建模为斯坦伯格博弈模型，博弈的参与者是无人机群和地面用户；
[0008]步骤2，固定无人机群位置以一定功率进行空地通信，地面用户根据无人机群的覆
盖位置，主动选择接入哪架无人机，计算在当前无人机群位置下的用户自身需求满意度，并将此时的接入无人机选择，作为最优接入策略集；
[0009]步骤3，无人机群内各无人机根据感知到的用户接入策略集，调整各自的三维位置，计算在当前用户接入策略下的无人机效用值，使其最大，此时对应的无人机三维位置为当前无人机的最优位置；
[0010]步骤4，当无人机位置和地面用户接入选择均完成上述调整，算法完成一次迭代。当所有无人机位置和地面用户接入选择收敛到斯坦伯格均衡，或者达到设定迭代次数时，算法结束。
[0011]进一步地，步骤1所述将空地协同传输问题，建模为斯坦伯格博弈模型，博弈的参与者是无人机群和地面用户，具体如下：
[0012]在该博弈模型中，地面用户为跟随者，其效用函数集合为{u11,u12,...,u1
k
}，无人机群为领导者，其效用函数集合为{u21,u22,
…
,u2
n
}，下标为用户编号。
[0013]进一步地，步骤2中所述在当前无人机群位置部署Q＝{q1,q2,
…
,q
n
}下，地面用户自身需求满意度效用计算如下：
[0014][0015]其中a
k
表示地面用户k的接入无人机策略选择。J
k
是地面用户k的邻居节点，代表与用户k处于同一架无人机的覆盖范围内。表示如下：
[0016][0017]其中，r
′
k,n
表示地面用户k的数据传输需求，V是常数，设为V>7。λ
k,n
表示f(k,n)变化趋势，反映了传输任务的紧迫程度，λ
k,n
越大意味着任务越紧急。当地面用户k所获得的传输速率高于所需要的传输速率即r
k,n
>r
′
k,n
时，f
k
(a
k
,a
Jk
)>[1+exp(
‑
7)]‑1≈1。r
k,n
表示地面用户k在无人机n的覆盖下实际获得的信道容量，数学表达式为：
[0018][0019]其中，B
n
为无人机n的带宽，M
n
为无人机n服务的用户数，p
n
是无人机n的传输功率，σ2为均值为零分布的高斯噪声的方差，表示无人机n到用户k的平均路径损耗，数值为：
[0020][0021]其中,f
c
为无人机载波频率，为无人机n到地面用户k的直线距离，c是电磁波传播速率，η
LoS
和η
NLoS
分别是LoS和NLoS链路的阴影衍射损失，b1和b2是取决于环境的常量，是地面用户k与无人机n之间的仰角。
[0022]地面用户k的效用函数是对其接入无人机进行优化，优化目标为：
[0023][0024]进一步地，步骤3中所述在当前地面用户接入策略A＝(a1,a2,
…
,a
k
)下，(a1,a2,
…
,
a
k
)代表地面用户接入的无人机的编号，调整无人机群的三维位置，使无人机用户效用值最大。第n个无人机的效用函数的定义式如(6)所示：
[0025][0026]其中q
n
是无人机n的三维位置q
n
＝(x
n
,y
n
,h
n
)，x
n
,y
n
,h
n...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异构需求下的空地协同分层部署模型，其特征在于，多架具有内容缓存的无人机执行覆盖任务，尽可能地满足地面用户的通信需求，其中不同类型的用户有不同的数据需求。地面用户随机分布在任务区域内并向空中无人机发出数据请求。无人机通过地理位置部署将数据传输到用户设备上以缓解网络覆盖压力，地面用户主动选择接入无人机以获得最大满意度。每架无人机采用频分多址接入技术服务每个地面用户。假设每个用户只能选择一架无人机接入且无人机之间没有干扰。2.一种基于权利要求1所述的一种异构需求下的空地协同分层部署接入方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将空地协同传输问题，建模为斯坦伯格博弈模型，博弈的参与者是无人机群和地面用户；步骤2，固定无人机群位置以一定功率进行空地通信，地面用户根据无人机群的覆盖位置，主动选择接入哪架无人机，计算在当前无人机群位置下的用户自身需求满意度，使用户自身满意度最大，并将此时用户的接入无人机选择，作为最优接入策略集；步骤3，无人机群内各无人机根据感知到的用户接入策略集，调整各自的三维位置，计算在当前用户接入策略下的无人机覆盖收益值，使无人机覆盖收益值最大，此时对应的无人机三维位置为当前无人机的最优位置；步骤4，当无人机位置和地面用户接入选择均完成上述调整，算法完成一次迭代。当所有无人机位置和地面用户接入选择收敛到斯坦伯格均衡，或者达到设定迭代次数时，算法结束。3.根据权利要求2所述的异构需求下的空地协同分层部署接入方法，其特征在于，步骤1所述将空地协同传输问题，建模为斯坦伯格博弈模型，博弈的参与者是无人机群和地面用户，具体如下：在该博弈模型中，地面用户为跟随者，其效用函数集合为{u11,u12,...,u1
k
}，无人机群为领导者，其效用函数集合为{u21,u22,
…
,u2
n
}，下标为用户编号。4.根据权利要求2所述的异构需求下的空地协同分层部署接入方法，其特征在于，步骤2中所述在当前无人机群位置部署Q＝{q1,q2,
…
,q
n
}下，由于地面用户之间存在资源竞争的关系，我们将地面用户k,的效用函数定义如下：其中表示用户k自身的需求满意度，表示用户w自身的需求满意度，用户w是用户k的邻居，J
k
表示用户k的邻居用户集合，代表用户w,w∈J
k
与用户k处于同一架无人机的覆盖范围内，也就是说，用户k的效用函数受自身的需求满意度和它的邻居满意度的影响；a
k
为地面用户k的接入无人机策略选择，代表用户k所接入的无人机编号；表示地面用户k的邻居节点的接入无人机编号。表示如下：其中，r
′
k,n
表示地面用户k的传输速率需求，V是常数，设为V>7；λ
k,n
表示公式(2)的变化
趋势，反映了传输任务的紧迫程度，λ
k，n
越大意味着任务越紧急；当地面用户k所获得的传输速率高于所需要的传输速率即r
k,n
>r
′
k,n
时，r
k,n
表示地面用户k在无人机n的覆盖下实际获得的传输速率，数学表达式为：其中，B
n
为无人机n的带宽，M
n
为无人机n服务的用户数，p
n
是无人机n的传输功率，σ2为均值为零分布的高斯噪声的方差，表示无人机n到用户k的平均路径损耗，数值为：其中,f
c
为无人机载波频率，为无人机n到地面用户k的直线距离，c是电磁波传播速率，η
LoS
和η
NLoS
分别是Lo...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞星月，徐煜华，陈瑾，姚凯凌，蔡佶昊，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：