基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法及系统，包括：在灾后UAV通信网络模型中，根据每个UAV的通信带宽和UAV辅助通信区域内地面用户的数量，得到UAV与地面用户之间的通信带宽；根据UAV与地面用户之间的通信带宽和路径损耗得到UAV与地面用户之间的传输速率，根据通信传输速率与UAV自身总功率消耗得到UAV能效；以最大化所有UAV总能效为目标函数，采用最优传输理论将目标函数转换为最小化地面用户坐标与UAV坐标间传输映射的传输成本，根据传输成本函数得到最优传输映射，基于此划分UAV辅助通信区域。合理规划UAV与地面用户之间的连接，解决UAV机载能量有限的问题，避免产生过负载区域，实现各区域内的负载均衡，保证UAV总能量效率的最大化。

【技术实现步骤摘要】
基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法及系统
本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。自然灾害的发生往往会对受灾地区造成巨大的经济损失，同时会造成地面通信设施(例如地面基站)的损坏，这不仅为救援任务等紧急事件的实施带来严峻的挑战，也为灾后地区人民的生活带来很大的不便；并且地面通信设施往往结构复杂，构建耗时，很难在短时间内恢复，所以灾后的应急网络的构建成为了不可避免的难题。现如今无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)开始广泛应用于民事领域，并且日益成为无线通信领域的强大的新型通信设备，开始在各种无线通信网络中承担不同的角色，例如空中基站，空中中继节点等；同时UAV具有高度的灵活性以及可移动性，使其在无线通信中相比于原始的地面通信设施，能够实现快速部署以及灵活移动，UAV的这些特点为其在受灾地区构建临时通信网络提供了可能，于是可以考虑在受灾地区部署多个UAV作为空中基站，代替地面受损基站来提供临时的无线覆盖。虽然UAV能够实现临时的网络覆盖，但是现有的UAV由于体积以及重量等因素的限制，使得其机载电池电量有限，造成UAV有限的机载能量不能持久的为用户提供服务的困境，为了能够更有效更持久的服务地面用户，需要合理的进行各个UAV服务区域的划分来实现各个划分区域之间的负载均衡，从而来实现此应急无线网络中UAV能量效率的最大化。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法及系统，通过部署多个UAV实现灾后地区应急无线通信网络的构建，通过最优传输理论实现UAV辅助通信区域的划分，合理规划UAV与地面用户之间的连接，解决UAV机载能量有限的问题，避免产生过负载区域，实现各区域内的负载均衡，保证UAV总能量效率的最大化。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法，包括：在灾后UAV通信网络模型中，根据每个UAV的通信带宽和UAV辅助通信区域内地面用户的数量，得到UAV与地面用户之间的通信带宽；根据UAV与地面用户之间的通信带宽和路径损耗得到UAV与地面用户之间的传输速率，根据通信传输速率与UAV自身总功率消耗得到UAV能效；以最大化所有UAV总能效为目标函数，采用最优传输理论将目标函数转换为最小化地面用户坐标与UAV坐标间传输映射的传输成本，根据传输成本函数得到最优传输映射，基于此划分UAV辅助通信区域。第二方面，本专利技术提供一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分系统，包括：下行链路构建模块，被配置为在灾后UAV通信网络模型中，根据每个UAV的通信带宽和UAV辅助通信区域内地面用户的数量，得到UAV与地面用户之间的通信带宽；能效计算模块，被配置为根据UAV与地面用户之间的通信带宽和路径损耗得到UAV与地面用户之间的传输速率，根据通信传输速率与UAV自身总功率消耗得到UAV能效；优化模块，被配置为以最大化所有UAV总能效为目标函数，采用最优传输理论将目标函数转换为最小化地面用户坐标与UAV坐标间传输映射的传输成本，根据传输成本函数得到最优传输映射，基于此划分UAV辅助通信区域。第三方面，本专利技术提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。第四方面，本专利技术提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提出一种灾后能量有效的灾后UAV通信网络模型，通过部署UAV辅助通信区域，为灾后地区实现临时应急的网络覆盖。本专利技术的灾后UAV通信网络模型在考虑UAV功率消耗时，不仅考虑发射功率，而且考虑UAV悬停功率，以保证实现所有UAV总能量效率的最大化。本专利技术利用最优传输理论解决UAV服务地面用户区域划分的问题，并且考虑到UAV机载能量有限的问题，以此在实现UAV总能效最大化的同时，实现各个UAV服务区域之间的负载均衡，合理的规划UAV与用户之间的连接，避免产生过负载区域，能够更加有效的利用UAV有限的能量，从而更加持久的为地面用户服务。本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术实施例1提供的灾后UAV辅助通信区域划分方法流程图；图2为本专利技术实施例1提供的灾后UAV无线网络的模型图；图3为本专利技术实施例1提供的基于最优传输理论的UAV服务区域划分流程图；图4为本专利技术实施例1提供的采用最优传输理论得到的UAV服务区域划分效果图；图5为本专利技术实施例1提供的采用最大信噪比标准得到的UAV服务区域划分效果图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例1如图1所示，本实施例提供一种灾后地区能量有效的UAV辅助通信区域划分方法，包括以下步骤：S1：构建灾后UAV应急无线通信网络模型；S2：对灾后UAV应急无线通信网络模型建模分析，考虑UAV向地面用户传输数据的下行链路，即根据每个UAV的通信带宽和UAV辅助通信区域内地面用户的数量，得到UAV与地面用户之间的通信带宽，构建下行链路通信模型；S3：根据UAV与地面用户之间的通信带宽和路径损耗得到UAV与地面用户之间的传输速率，根据通信传输速率与UAV自身总功率消耗得到UAV能效；S4：以最大化所有UAV总能效为目标函数，采用最优传输理论将目标函数转换为最小化地面用户坐标与UAV坐标间传输映射的传输成本，根据传输成本函数得到最优传输映射，基于此划分UAV辅助通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法，其特征在于，包括：/n在灾后UAV通信网络模型中，根据每个UAV的通信带宽和UAV辅助通信区域内地面用户的数量，得到UAV与地面用户之间的通信带宽；/n根据UAV与地面用户之间的通信带宽和路径损耗得到UAV与地面用户之间的传输速率，根据通信传输速率与UAV自身总功率消耗得到UAV能效；/n以最大化所有UAV总能效为目标函数，采用最优传输理论将目标函数转换为最小化地面用户坐标与UAV坐标间传输映射的传输成本，根据传输成本函数得到最优传输映射，基于此划分UAV辅助通信区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法，其特征在于，包括：
在灾后UAV通信网络模型中，根据每个UAV的通信带宽和UAV辅助通信区域内地面用户的数量，得到UAV与地面用户之间的通信带宽；
根据UAV与地面用户之间的通信带宽和路径损耗得到UAV与地面用户之间的传输速率，根据通信传输速率与UAV自身总功率消耗得到UAV能效；
以最大化所有UAV总能效为目标函数，采用最优传输理论将目标函数转换为最小化地面用户坐标与UAV坐标间传输映射的传输成本，根据传输成本函数得到最优传输映射，基于此划分UAV辅助通信区域。


2.如权利要求1所述的一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法，其特征在于，所述UAV数量为K，通信频带总带宽为B，则每个UAV的通信带宽为在UAVk的辅助通信区域内地面用户的数量为Mk，UAV与地面用户之间的通信带宽为


3.如权利要求1所述的一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法，其特征在于，采用概率LoS通信模型，计算UAVk与地面用户i之间的路径损耗：



其中，fc为发送信号的载波频率，d0为自由空间损耗模型的参考距离，c为光速，μLoS和μNLoS分别表示由LoS连接和由NLoS连接造成的相对于自由空间损耗的额外损耗，dk，i(x，y)为UAVk和位于(x，y)处的用户i之间的距离。


4.如权利要求3所述的一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法，其特征在于，UAVk和位于(x，y)处的用户i之间的通信信噪比SNR为：UAVk和位于(x，y)处的用户i之间的数据传输速率为：
其中，为UAV与地面用户之间的通信带宽，Mk为UAVk的辅助通信区域内地面用户的数量，Pk为UAVk的发射功率，σ2为通信链路的噪声功率；为UAVk和位于(x，y)处的用户i之间的平均路径损耗；所以根据上式得到UAV与地面用户之间的传输速率。


5.如权利要求1所述的一种基于最优传输理论的灾后UAV辅助通信区域划分方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：田杰，王娣，纪秀朝，陆佃杰，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37