一种无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入方法技术

本发明专利技术涉及一种无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入方法，属于无线通信领域。该方法包括：无人机同时携带基站和MEC服务器调用免授权频谱为不同需求的移动用户提供服务，将无人机每个时隙划分为实时传输和非实时功控传输阶段。在实时传输阶段，无人机同时为上行计算用户和下行实时通信用户提供服务。在非实时功控阶段，WiFiAP区域外的部分下行非实时功控用户能够与WiFi设备同时同频传输。基于设计的接入方案，联合考虑占空比分配、飞行轨迹、功控用户的功率分配和实时传输阶段用户的带宽分配，建立计算用户总卸载量最大的优化问题，并提出基于块坐标下降和连续凸逼近方法的多变量迭代算法进行求解。本发明专利技术能够有效提高总卸载量和免授权频谱效率。载量和免授权频谱效率。载量和免授权频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域，涉及一种无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入方法。

技术介绍

[0002]如今，随着第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication,5G)和移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)技术的快速发展，越来越多的服务及应用出现并被智能移动设备广泛的使用，如网络直播，虚拟现实等。然而，由于智能移动设备的有限计算能力，无法在容忍时延内完成自身的计算密集型任务，同时，现存的蜂窝网络并不能满足所有高流量需求用户的体验质量。MEC虽然能够允许用户卸载任务到边缘服务器上计算，但是MEC服务器所覆盖的范围有限，导致这不能有效地解决在体育场馆或者音乐会场所等热点区域的计算卸载需求激增的问题。而解决这种问题最直接的办法就是在地面上更多的位置固定部署MEC服务器，但是这种办法所耗费的成本很高，也不够灵活方便。由于无人机的灵活性和高可能的强视距通信链路等优势，能够同时携带MEC服务器和小基站为热点区域中不同需求的移动用户服务。
[0003]针对授权频谱资源的稀缺，高通、三星和威瑞森等公司提出了利用未授权频段(LTE Advanced in Unlicensed Spectrum,LTE
‑
U)技术来调用免授权频谱增加可利用的带宽。LTE
‑
U技术旨在尽可能维持原有长期演进(Long Term Evolution,LTE)协议规范的条件下，将LTE技术应用于未授权频段，通过在未授权频段部署小型基站，并依靠载波聚合技术让LTE在未授权频段和授权频段协同工作，从而达到提升蜂窝系统容量和提高未授权频段频谱利用率的目的。因此，将LTE技术拓展到未授权频段己经成为了5G通信标准的研究方向，也是6G通信标准的研究热点。
[0004]LTE蜂窝移动通信是基站集中调度的，而WiFi系统是基于竞争方式的。如果将蜂窝移动用户直接接入免授权频段，将严重影响WiFi系统的性能。根据共存方法的不同，基于先听后说(Listen Before Talk,LBT)的LAA技术和基于占空比(Duty
‑
Cycle,DC)的载波感应自适应传输技术是两种主要的未授权频段接入技术。
[0005]现有的研究主要集中在单独的无人机协作的无线通信网络和移动边缘计算网络，但是在无人机协作的无线通信和移动边缘计算网络共存方面的研究却很少，而且目前还没有考虑到将LTE
‑
U技术与无人机协作的MEC通信网络相结合。无人机免授权通信在许多应用中获得了越来越多的研究关注，如缓存、虚拟现实和灾难恢复。但是到目前为止，对于无人机调用免授权频谱提供通信服务的研究并不多，大部分研究考虑的都是静态无人机基站与LTE
‑
U技术相结合，没有考虑到无人机基站的机动性，它们的主要策略是采用占空比的方式通过机器学习算法优化无人机的信道占用时间和无人机位置部署。为了提高免授权频谱效率，充分利用无人机的机动性服务更多不同需求的用户，还需要对无人机辅助的MEC通信网络中免授权频谱接入技术进行研究。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术考虑到无人机协作的MEC通信网络场景，设计一种新的免授权频谱接入方案，在满足所有移动用户不同传输速率的前提下，联合考虑占空比分配、无人机飞行轨迹、下行非实时功控用户的传输功率分配和实时阶段中上下行链路用户的带宽分配，构建上行计算用户总卸载量最大化的优化问题，提出了一种基于块坐标下降和连续凸逼近方法的多变量迭代优化算法。本专利技术提出的接入方案可以让更多的移动用户正常接入免授权信道，显著提高了频谱效率，进一步提高计算用户的总卸载量。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入方法，所述方法包括：
[0008]如图2所示，旋翼无人机同时携带小基站和MEC服务器调用免授权频谱周期性的为热点区域的用户提供服务。本专利技术将无人机的每个时隙划分为实时通信和非实时功控阶段，区域内存在M个下行实时通信用户在实时通信阶段与无人机进行通信，这些用户随即地分布在无人机的覆盖区域内，对数据传输的实时性需求较高。另外V个下行用户分布在WiFi AP覆盖区域之外，这些用户对通信链路质量要求不高，能够在非实时功控阶段与WiFi设备同时使用相同的免授权频段。因此，这些用户会对WiFi设备造成严重的干扰，被称作下行非实时功控(Non
‑
realtime Power Controlled,NPC)用户。此外，区域内的K个用户需要持续计算密集型任务，需要卸载任务到计算能力强的无人机MEC服务器上进行计算，例如网络直播和虚拟现实等。因此，本专利技术将K个上行用户称作上行计算用户。无人机覆盖区域内存在一个地面WiFi，无人机在飞行过程中一直覆盖着区域内的所有用户，包括WiFi用户，并不间断地为用户提供服务。
[0009]如图3所示，将无人机的任务执行周期T作为飞行周期，每个飞行周期划分为N个时隙，每个时隙划分为实时传输和非实时功控传输阶段，进而K个计算用户和M个下行实时通信用户在实时传输阶段可以通过FDMA技术共享信道，V个下行NPC用户在非实时功控传输阶段与WiFi设备同信道传输。
[0010]进一步，考虑到无人机的飞行轨迹，每个时隙长度δ
t
＝T/N。在第n个时隙中，无人机的位置坐标可以表示为Q
u
[n]＝(X
u
[n],Y
u
[n])。假设无人机的最大飞行速度为V
max
，因此无人机的轨迹应该满足以下约束：
[0011][0012]考虑到无人机在一个任务周期T后返回到起始位置，因此，应满足以下约束：
[0013]Q
u
[0]＝Q
u
[N].
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(2)
[0014]从上行计算用户到无人机以及从无人机到下行用户之间的信道功率增益分别表示为：
[0015][0016][0017][0018]其中，w0在1m距离处的信道功率增益，H为无人机的固定高度，C
k
和D
m
、D
v
分别表示为上行计算用户、下行实时通信用户和下行NPC用户的坐标(X
k
,Y
k
)和(X
m
,Y
m
)、(X
v
,Y
v
)。
[0019]若蜂窝移动用户使用WiFi设备的免授权频段，需要保证WiFi设备不会受到非实时功控用户的干扰。为了保证非实时功控传输阶段和实时传输阶段的用户在每个时隙中传输的均衡性，应满足以下约束:
[0020]F
min
≤b[n]≤F
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：设计一种面向无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入共存方案；步骤2：基于步骤1设计的方案，在满足上行计算用户和下行通信用户不同传输速率的前提下，联合考虑实时传输阶段和非实时功控阶段的占空比分配、无人机飞行轨迹、下行非实时功控(Non
‑
realtime Power Controlled,NPC)用户的传输功率分配和实时阶段中上下行链路用户的带宽分配，构建一个最大化上行计算用户总卸载量的优化问题；步骤3：针对步骤2中建立的复杂优化问题，提出一种高效的基于BCD
‑
SCA的多变量迭代优化算法对建立的优化模型进行求解。2.根据权利要求1所述的一种无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入方法，其特征在于，设计一种面向无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入共存方案：将无人机的任务执行周期T作为飞行周期，每个飞行周期划分为N个时隙，每个时隙划分为实时传输和非实时功控传输阶段，进而K个计算用户和M个下行实时通信用户在实时传输阶段可以通过FDMA技术共享信道，V个下行NPC用户在非实时功控传输阶段与WiFi设备同信道传输。3.根据权利要求1所述的一种无人机MEC通信网络中的免授权频谱接入方法，其特征在于，联立权利要求2，在系统资源和多类用户体验质量约束下最大化无人机MEC免授权通信系统中计算任务量，提高计算性能：通过联合优化下行NPC用户的传输功率、上行计算用户和下行实时通信用户之间的带宽分配，无人机轨迹和占空比的分配来最大化上行计算用户的总卸载量：s.t.C1～C11其中，约束C1为表示无人机的轨迹应该满足的约束，Q
u
[n]＝(X
u
[n],Y
u
[n])是无人机的位置坐标，V
max
是无人机的最大飞行速度，n是第n个时隙；约束C2为Q
u
[0]＝Q
u
[N].，表示无人机在一个短任务周期T之后返回到起始位置；C3为F
min
≤b[n]≤F
max
，确保非实时功控传输阶段和实时传输阶段的用户在每个时隙中传输的均衡性，b[n]是第n个时隙实时通信阶段的时间占比，F
min
和F
max
分别表示实时传输阶段分配到的最小时间占比和最大的时间占比；C4为表示在实时传输阶段，无人机使用FDMA技术分配带宽资源同时为地面的M个实时通信用户和K个计算用户提供通信服务，即第m个下行实时通信用户在第n个时隙中分配的带宽为B
m
[n]，第k个上行计算用户在第n个时隙中使用带宽B
k
[n]同时卸载任务到无人机时带宽应满足的约束；C5为表示M个实时用户在每个飞行时隙中应满足的最低吞吐量，p
m
[n]表示无人机在实时传输阶段中第n个时隙分配给第m个用户的功率，N0表示噪声功率谱密度，表示下行实时通信用户在每个飞行时隙内的最低传输的吞吐量，由于每个实时用户通信链路质量相近，将p
m
[n]设置为常数不做优化，即p
m
[n]＝P
uav_max
/M，P
uav_max
为实时传输阶段无人机最大的发射功率；C6为
表示满足每个上行计算用户的最低计算需求的约束，是第k个上行计算用户在第n个时隙中本地能够处理的任务量，为第k个上行计算用户在实时传输阶段的第n个时隙中的卸载量，p为每个上行计算用户的卸载功率，f
k
[n]是第k个用户在第n个时隙中的本地计算能力，在本发明中，我们假设本地计算能力是0.4
‑
0.5GHz的随机数，C
k
是用户计算1bit的任务所需要的CPU的转数；C7为为其中P
max
为非实时功控传输阶段中无人机分配给每个NPC用户v的最大平均功率，P为非实时功控传输时无人机的最大发射功率，p
v
[n]为无人机在第n个时隙为用户v分配的功率；C...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴二荣，陈新虎，张泰，孙远欣，柳祚勇，陈俊林，倪剑雄，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：