一种基于无人机辅助车联网资源优化方法、设备和介质技术

本发明专利技术公开了一种基于无人机辅助车联网资源优化方法、设备和介质，本发明专利技术考虑无人机能耗受限的车联网系统的上行链路，由于传统的车联网无法提供不间断和无处不在的连接，即无法满足车辆VE用户的服务质量QoS需求，并且通信中的中断概率对QoS影响很大，所以引入UAV来解决这个问题，通过UAV的移动性和灵活性来满足用户的QoS需求。但因为UAV是能量受限的设备，所以考虑通过轨迹优化来减少能耗。因此，本发明专利技术通过对UAV能耗约束、UAV移动范围约束、中断概率约束、车辆传输功率约束、UAV单位时隙飞行距离约束和每个子信道最多被一辆车使用的约束条件下，通过优化无人机飞行轨迹和子信道分配矩阵，最小化平均信息年龄。最小化平均信息年龄。最小化平均信息年龄。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机辅助车联网资源优化方法、设备和介质


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种基于无人机辅助车联网资源优化方法、设备和介质。

技术介绍

[0002]5G及未来的车联网(V2X)通信通过使车辆以智能方式连接一切，为未来的智能交通系统提供技术支持，在车辆中，无人机也被越来越多地应用于流量监测、通信链接增强和数据传输中。通过无人机辅助车辆中的通信，车辆与无人机间能够建立可靠的数据传输，以获取安全驾驶相关的道路信息、多媒体信息等。无人机辅助车辆系统的性能是由无线通信延迟、吞吐量和服务可靠性来评估的。然而，这些性能指标可能没有捕捉到信息的新鲜度，而这正是实时更新的应用所需要的。收集到的信息的新鲜度由一个新的性能指标来量化，即信息年龄(AoI，age of information)，AoI指的是数据包中的应用数据的年龄或新鲜程度，即信息从产生开始到目的地接收时经过的时间，年龄大，指信息“旧”或“不新鲜”。在实时性敏感的应用中，被需要的多是年龄小或更新鲜的数据。这一概念是面向对采集数据时效性要求较高的场景，这些场景包括：无人驾驶的车辆控制系统、无人机辅助车辆系统、野外火灾报警系统等。因为无人机辅助车辆是实时性敏感的应用场景，所以本专利技术引入信息年龄来度量信息的新鲜程度。
[0003]本专利技术考虑无人机(UAV，unmanned aerial vehicle)能耗受限的车联网系统的上行链路，由于传统的车联网无法提供不间断和无处不在的连接，即无法满足车辆(VE，vehicle)用户的服务质量(QoS，Quality of Service,)需求，并且通信中的中断概率对QoS影响很大，所以本专利技术引入UAV来解决这个问题，通过UAV的移动性和灵活性来满足用户的QoS需求。但因为UAV是能量受限的设备，所以考虑通过轨迹优化来减少能耗。此外，车联网中的信息新鲜度很重要，所以本专利技术引入信息年龄(AoI，age of information)来度量信息的新鲜程度，因为车联网是实时性敏感的应用场景，所以需要AoI尽可能小，但要想减小AoI就需要增加UAV分配给车辆的功率，即增加UAV的通信能耗，同理，要想减小UAV能耗会引起AoI的增加，所以需要考虑二者的均衡。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是现有技术中UAV获得的信息年龄大且没有考虑中断概率对信息年龄的影响，无法满足实时性敏感的应用场景且不符合实际情况，目的在于提供一种基于无人机辅助车联网资源优化方法、设备和介质，通过获取UAV的最大能耗、特定区域的坐标、中断概率阈值、车辆最大发送功率、UAV单位时隙最大飞行距离和二进制变量，分别建立UAV能耗约束、UAV移动范围约束、中断概率约束、车辆传输功率约束、UAV单位时隙飞行距离约束和每个子信道最多被一辆车使用的约束，通过优化无人机飞行轨迹和子信道分配矩阵，获得最优的平均信息年龄。保证UAV能耗和平均信息年龄存在均衡关系，增加UAV分配给车辆的传输功率会使得信息更容易上传成功，避免重传，从而减小信息年龄。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]获取车辆与无人机UAV之间的信道信息，基于OFDMA技术确定UAV通过目标信道接收到车辆上传数据信息的平均信息年龄；
[0007]获取满足通信链路QoS需求的信噪比阈值，确定车辆通过目标信道向UAV发送数据的最大发送功率和车辆向UAV传输状态更新信息时的传输中断概率；
[0008]获取UAV的速度和UAV机身数据，确定UAV在当前时隙的最大能耗；
[0009]获取UAV的最大能耗、目标区域的坐标、中断概率阈值、车辆最大发送功率、UAV单位时隙最大飞行距离和二进制变量，分别建立UAV能耗约束、UAV移动范围约束、中断概率约束、车辆传输功率约束、UAV单位时隙飞行距离约束和每个子信道最多被一辆车使用的约束，对无人机飞行轨迹和子信道分配矩阵进行优化，获得最优的平均信息年龄。
[0010]本专利技术通过在满足通信链路QoS需求获取车辆向UAV传输状态更新信息时的传输中断概率，考虑车辆向UAV传输状态更新信息时可能出现传输中断的情况，获取UAV在当前时隙的最大能耗，防止减小信息年龄会增加无人机能耗的情况发生，通过获取UAV的最大能耗、目标区域的坐标、中断概率阈值、车辆最大发送功率、UAV单位时隙最大飞行距离和二进制变量，分别建立UAV能耗约束、UAV移动范围约束、中断概率约束、车辆传输功率约束、UAV单位时隙飞行距离约束和每个子信道最多被一辆车使用的约束，对无人机飞行轨迹和子信道分配矩阵进行优化，获得最优的平均信息年龄，通过优化无人机飞行轨迹和子信道分配矩阵，获得最优的平均信息年龄。保证UAV能耗和平均信息年龄存在均衡关系，增加UAV分配给车辆的传输功率会使得信息更容易上传成功，避免重传，从而减小信息年龄。
[0011]考虑了中断概率对系统平均信息年龄的影响，联合优化无人机轨迹和信道分配，减小无人机能耗和系统平均信息年龄。
[0012]进一步的，所述基于OFDMA技术确定UAV通过目标信道接收到车辆上传数据信息的平均信息年龄，具体包括：
[0013]基于OFDMA技术，UAV同时接收V辆车的状态更新信息；
[0014]根据UAV接收到的V辆车的状态更新信息，确定t时刻车辆状态更新信息的产生时间和UAV处接收到状态更新信息的接收时间，确定t时刻的UAV接收车辆上传的状态更新信息的信息年龄；
[0015]根据t时刻的UAV接收车辆上传的状态更新信息的信息年龄，确定UAV接收车辆上传的状态更新信息的平均信息年龄。
[0016]进一步的，所述确定t时刻的UAV接收车辆上传的状态更新信息的信息年龄过程中包括对当前时刻的信息年龄进行更新，具体包括：
[0017]从初始信息年龄A0开始，信息年龄以速率1随时间增加，直到接收到状态更新信息；
[0018]t1时刻，车辆产生状态更新信息；
[0019]t2时刻，UAV接收到状态更新信息并替换原来的信息。
[0020]进一步的，所述获取满足通信链路QoS需求的信噪比阈值，具体包括：
[0021]获取目标信道由于LoS连接产生的额外衰减系数以及由于NLoS连接产生的额外衰减系数，确定目标信道上UAV到车辆的LoS和NLoS路径损耗；
[0022]获取LoS连接的概率和NLoS连接的概率，结合UAV到车辆的LoS和NLoS路径损耗，确
定UAV到车辆平均路径损耗；
[0023]根据平均路径损耗，确定UAV到车辆的平均信道增益；
[0024]根据平均信道增益确定信噪比，根据通信链路QoS需求确定信噪比阈值。
[0025]进一步的，所述传输中断概率计算公式为：
[0026][0027]其中，Pr表示求概率，表示使用子信道k的VE v的数据速率，R
th
表示传输速率阈值，表示V2U的平均信道增益，表示VE v使用信道k的传输功率，，σ2表示噪声的功率。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机辅助车联网资源优化方法，其特征在于，包括以下具体步骤：获取车辆与无人机UAV之间的信道信息，基于OFDMA技术确定UAV通过目标信道接收到车辆上传数据信息的平均信息年龄；获取满足通信链路QoS需求的信噪比阈值，确定车辆通过目标信道向UAV发送数据的最大发送功率和车辆向UAV传输状态更新信息时的传输中断概率；获取UAV的速度和UAV机身数据，确定UAV在当前时隙的最大能耗；获取UAV的最大能耗、目标区域的坐标、中断概率阈值、车辆最大发送功率、UAV单位时隙最大飞行距离和二进制变量，分别建立UAV能耗约束、UAV移动范围约束、中断概率约束、车辆传输功率约束、UAV单位时隙飞行距离约束和每个子信道最多被一辆车使用的约束，对无人机飞行轨迹和子信道分配矩阵进行优化，获得最优的平均信息年龄。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机辅助车联网资源优化方法，其特征在于，所述基于OFDMA技术确定UAV通过目标信道接收到车辆上传数据信息的平均信息年龄，具体包括：基于OFDMA技术，UAV同时接收V辆车的状态更新信息；根据UAV接收到的V辆车的状态更新信息，确定t时刻车辆状态更新信息的产生时间和UAV处接收到状态更新信息的接收时间，确定t时刻的UAV接收车辆上传的状态更新信息的信息年龄；根据t时刻的UAV接收车辆上传的状态更新信息的信息年龄，确定UAV接收车辆上传的状态更新信息的平均信息年龄。3.根据权利要求2所述的一种基于无人机辅助车联网资源优化方法，其特征在于，所述确定t时刻的UAV接收车辆上传的状态更新信息的信息年龄过程中包括对当前时刻的信息年龄进行更新，具体包括：从初始信息年龄A0开始，信息年龄以速率1随时间增加，直到接收到状态更新信息；t1时刻，车辆产生状态更新信息；t2时刻，UAV接收到状态更新信息并替换原来的信息。4.根据权利要求3所述的一种基于无人机辅助车联网资源优化方法，其特征在于，所述平均信息年龄包括：时间平均信息年龄和车辆平均信息年龄；所述时间平均信息年龄通过在T时间段内所有时隙的车辆的平均信息年龄求和再除以时间段T得到。5.根据权利要求1所述的一种基于无人机辅助车联网资源优化方法，其特征在于，所述获取满足通信链路QoS需求的信噪比阈值...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋清洋，徐桂喜，亓伟敬，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：