无人机用户匹配和频谱资源优化方法、装置、设备及介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人机用户匹配和频谱资源优化方法、装置、设备及介质，涉及无人机通信技术领域，该方法主要包括在共享频谱环境下，根据目标区域相关参数，确定目标优化问题；利用块坐标下降法，将目标优化问题分解为无人机

【技术实现步骤摘要】
无人机用户匹配和频谱资源优化方法、装置、设备及介质


[0001]本专利技术涉及无人机通信
，特别是涉及一种无人机用户匹配和频谱资源优化方法、装置、设备及介质。

技术介绍

[0002]无人驾驶飞机通常被称为无人机，是一种可以自主飞行或由地面控制站遥控以完成商业任务或军事任务的飞行器。近年来，无人机由于其高度灵活性、按需低空部署能力以及与地面的良好链路特性，在无线通信网络中发现了许多有前景的应用。例如，无人机可以作为空中基站或空中移动中继站进行快速部署，为现有无线通信网络提供增强的通信性能，或支持战争、灾区的紧急服务。此外，无人机还可用于执行远程监控，并将实时视频数据传输到地面终端。
[0003]尽管具有上述优点，但无人机通信仍面临不少挑战，例如无人机与地面用户设备之间匹配，簇内地面用户设备之间的频谱资源分配等问题。近年来，针对以上挑战，学者们进行了大量研究，例如联合优化地面用户设备关联和无人机位置来最大化下行地面用户设备总速率的方案，由于原问题是混合整数非凸优化问题，则该方案将其分解为整数的地面用户设备关联问题和非凸的无人机位置优化问题，然后交替迭代求得次优解，但是其仅考虑一架无人机不存在频谱复用及共信道干扰；另一篇文献考虑了共信道干扰，在固定轨迹条件下，采用联合算法迭代优化信道分配和无人机速度以最大化无人机上行链路速率，但是其没有考虑无人机与地面用户设备匹配及功率控制问题。再一篇文献样考虑了共信道干扰，以吞吐量为性能优化指标，联合优化多小区网络中子信道分配和功率分配，但是其子信道分配方式采用分布式优化，即将多小区优化问题分解为多个单小区优化问题，然后再让多个小区交替迭代优化直到收敛，但是这样忽略了小区之间的协调能力。

技术实现思路

[0004]鉴于当前多无人机辅助通信下动态频谱分配面临的挑战与不足，为保证地面用户设备通信的公平性，本专利技术提供了一种基于块坐标下降法的无人机用户匹配和频谱资源优化方法、装置、设备及介质，以有效提升地面用户设备的最小平均传输速率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种无人机用户匹配和频谱资源优化方法，包括：
[0007]获取目标区域相关参数；所述目标区域相关参数包括无人机的数量、可用信道的数量、地面用户设备的数量以及每个所述地面用户设备的位置信息；
[0008]在共享频谱环境下，根据所述目标区域相关参数，确定地面用户设备匹配与频谱资源联合优化问题；
[0009]利用块坐标下降法，将目标优化问题分解为无人机
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地面用户设备匹配子问题、信道分配子问题和功率分配子问题，并利用迭代优化算法求解所述无人机
‑
地面用户设备匹配子问题、所述信道分配子问题和所述功率分配子问题，以得到最优的无人机
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地面用户设
备匹配矩阵、最优的信道分配矩阵和最优的功率分配矩阵；所述目标优化问题为地面用户设备匹配与频谱资源联合优化问题。
[0010]第二方面，本专利技术提供了一种无人机用户匹配和频谱资源优化装置，包括：
[0011]数据获取模块，用于获取目标区域相关参数；所述目标区域相关参数包括无人机的数量、可用信道的数量、地面用户设备的数量以及每个所述地面用户设备的位置信息；
[0012]优化问题确定模块，用于在共享频谱环境下，根据所述目标区域相关参数，确定地面用户设备匹配与频谱资源联合优化问题；
[0013]优化问题求解模块，用于利用块坐标下降法，将目标优化问题分解为无人机
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地面用户设备匹配子问题、信道分配子问题和功率分配子问题，并利用迭代优化算法求解所述无人机
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地面用户设备匹配子问题、所述信道分配子问题和所述功率分配子问题，以得到最优的无人机
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地面用户设备匹配矩阵、最优的信道分配矩阵和最优的功率分配矩阵；所述目标优化问题为地面用户设备匹配与频谱资源联合优化问题。
[0014]第三方面，本专利技术提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据第一方面所述的无人机用户匹配和频谱资源优化方法。
[0015]第四方面，本专利技术提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的无人机用户匹配和频谱资源优化方法。
[0016]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0017]无人机由于其高度灵活性、按需低空部署能力以及与地面的良好链路特性，在无线通信网络中发现了许多有前景的应用。本专利技术主要研究了无人机作为空中临时基站辅助地面用户设备通信的场景，在考虑频谱复用及共信道干扰条件下，为保证地面用户设备通信的公平性，以最大最小地面用户设备平均传输速率为目标，主要涉及无人机
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地面用户设备匹配、信道分配和功率分配三个方面。由于原优化问题是一个混合整数非线性规划问题，很难得到其最优解，因此本专利技术提出一种基于块坐标下降法的多无人机地面用户设备匹配与频谱资源联合优化算法，通过不断迭代求解得到原问题的相对最优解。通过仿真实验分析表明，本专利技术所提算法能够有效提升地面用户设备的传输速率，保证地面用户设备通信的公平性。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为本专利技术无人机基站辅助通信下网络模型示意图；
[0020]图2为本专利技术无人机用户匹配和频谱资源优化方法的流程示意图；
[0021]图3为本专利技术3架无人机服务14个地面用户设备的位置分布及轨迹图；
[0022]图4为本专利技术初始无人机
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地面用户设备匹配矩阵示意图；
[0023]图5为本专利技术t＝13时隙的无人机
‑
地面用户设备匹配矩阵示意图；
[0024]图6为本专利技术3架无人机、12个地面用户设备、10个信道条件下的基于GA的信道分配收敛图；
[0025]图7为本专利技术所保护的技术方案在不同场景下的收敛曲线；
[0026]图8为本专利技术地面用户设备最小传输速率随可接入信道数变化图；
[0027]图9为本专利技术不同算法性能对比图；
[0028]图10为本专利技术无人机用户匹配和频谱资源优化装置的结构示意图。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机用户匹配和频谱资源优化方法，其特征在于，包括：获取目标区域相关参数；所述目标区域相关参数包括无人机的数量、可用信道的数量、地面用户设备的数量以及每个所述地面用户设备的位置信息；在共享频谱环境下，根据所述目标区域相关参数，确定地面用户设备匹配与频谱资源联合优化问题；利用块坐标下降法，将目标优化问题分解为无人机
‑
地面用户设备匹配子问题、信道分配子问题和功率分配子问题，并利用迭代优化算法求解所述无人机
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地面用户设备匹配子问题、所述信道分配子问题和所述功率分配子问题，以得到最优的无人机
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地面用户设备匹配矩阵、最优的信道分配矩阵和最优的功率分配矩阵；所述目标优化问题为地面用户设备匹配与频谱资源联合优化问题。2.根据权利要求1所述的一种无人机用户匹配和频谱资源优化方法，其特征在于，所述目标优化问题对应的目标函数及约束条件为：其中，目标函数μ表示联合优化无人机
‑
地面用户设备匹配矩阵W
f
＝{ω
m,k
[t]}
M
×
K
×
T
，信道分配矩阵B
f
＝{b
k,n
[t]}
K
×
N
×
T
和功率分配矩阵P
f
＝{P
m,n
[t]}
M
×
N
×
T
，使所有地面用户设备在一段时间T内的最小平均传输速率最大化的函数；M表示无人机的数量，K表示地面用户设备的数量，N表示信道的数量，ω
m,k
[t]表示无人机m在t时隙服务地面用户设备k，b
k,n
[t]表示在t时隙地面用户设备k占用信道n；P
m,n
[t]表示t时隙无人机m在信道n中的传输功率；C1表示任意地面用户设备k在一段时间T内的平均传输速率都大于目标函数值μ的约束条件；C2表示一个地面用户设备一个时隙t只能由一个无人机服务的约束条件；C3表示给定无人机，地面用户设备k可以在多条信道中传输，但不超过N个信道的约束条件；C4表示对于给定无人机，一个信道只允许分配一个地面用户设备的约束条件；C5表示任意无人机在信道中的功率不为负的约束条件；C6表示任意无人机在所有信道发射功率的总和不超过自
身最大发射功率的约束条件；C7表示无人机
‑
地面用户设备匹配矩阵中各元素的取值范围为0或1的约束条件；C8表示信道分配矩阵中各元素的取值范围为0或1的约束条件。3.根据权利要求2所述的一种无人机用户匹配和频谱资源优化方法，其特征在于，所述利用块坐标下降法，将目标优化问题分解为无人机
‑
地面用户设备匹配子问题、信道分配子问题和功率分配子问题，并利用迭代优化算法求解所述无人机
‑
地面用户设备匹配子问题、所述信道分配子问题和所述分配子问题，以得到最优的无人机
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地面用户设备匹配矩阵、最优的信道分配矩阵和最优的功率分配矩阵，具体包括：步骤1：确定当前迭代次数对应的无人机
‑
地面用户设备匹配矩阵、信道分配矩阵和功率分配矩阵；其中，当前迭代次数对应的无人机
‑
地面用户设备匹配矩阵是将上一次迭代次数对应的信道分配矩阵和功率分配矩阵作为固定变量，求解所述无人机
‑
地面用户设备匹配子问题后确定的；当前迭代次数对应的所述信道分配矩阵是将上一次迭代次数对应的无人机
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地面用户设备匹配矩阵和功率分配矩阵作为固定变量，求解所述信道分配子问题后确定的；当前迭代次数对应的功率分配矩阵是将上一次迭代次数对应的无人机
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地面用户设备匹配矩阵和信道分配矩阵作为固定变量，求解所述功率分配子问题后确定的；步骤2：判断当前迭代次数是否达到迭代总数，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示当前迭代次数达到所述迭代总数，则将当前迭代次数对应的无人机
‑
地面用户设备匹配矩阵确定为最优的无人机
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地面用户设备匹配矩阵，将当前迭代次数对应的信道分配矩阵确定为最优的信道分配矩阵，将当前迭代次数对应的功率分配矩阵确定为最优的功率分配矩阵；若所述第一判断结果表示确定当前迭代次数对应的无人机
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地面用户设备匹配矩阵、信道分配矩阵和功率分配矩阵，计算当前迭代次数对应的目标函数值；步骤3：判断当前迭代次数对应的目标函数值与上一次迭代次数对应的目标函数值的差值是否大于设定阈值，得到第二判断结果；若所述第二判断结果表示当前迭代次数对应的目标函数值与上一次迭代次数对应的目标函数值的差值大于设定阈值，则将上一次迭代次数对应的无人机
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地面用户设备匹配矩阵更新为当前迭代次数对应的无人机
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地面用户设备匹配矩阵，将上一次迭代次数对应的信道分配矩阵更新为当前迭代次数对应的信道分配矩阵，将上一次迭代次数对应的功率分配矩阵更新为当前迭代次数对应的功率分配矩阵，并将当前迭代次数加1，然后返回步骤1：确定当前迭代次数对应的无人机子信道分配矩阵、无人机飞行轨迹坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，吴迪，钱鹏智，张余，何攀峰，杜奕航，廖乃稳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：