考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及无人机通信技术领域，具体公开了一种考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法及系统，针对无人机通信这一具体场景，将能耗中断的影响引入高速传输的无人机通信模型，研究考虑能耗中断的无人机通信中多用户资源管理的基本范式。为实现无人机轨迹设计以及带宽和功能分配的联合优化，本发明专利技术采用马尔科夫决策过程建模考虑能耗中断的优化问题，并利用深度强化学习实现相应的优化目标。此外，为了更方便地执行深度强化学习，本发明专利技术基于相应问题的优化变量重新设计了动作向量以满足无人机的速度限制，并构造惩罚函数以考虑相应的约束条件。束条件。束条件。

【技术实现步骤摘要】
考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法及系统


[0001]本专利技术涉及无人机通信
，尤其涉及一种考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法及系统。

技术介绍

[0002]作为无线通信的一个分支，无人机通信与蜂窝网络结合的范式正受到业界的持续关注，这一结合使无人机具有空中基站的功能，从而进一步辅助和增强蜂窝通信网络的应用范围。另一方面，为支撑巨大的网络流量需求，将无线传输速率提高到Gbps级别是当前及未来移动通信发展的主要方向之一。需注意的是，面对如此高的传输速率，接收端需对海量接收数据进行数据处理，从而导致智能手机等移动终端中计算资源的巨大消耗，这一现象使得未来移动通信网络将面临新的问题——能耗中断。
[0003]能耗中断与智能手机的散热以及相应计算资源的消耗有关。具体来说，智能手机芯片中的计算单元，尤其是基带处理器(Baseband Processor,BP)和应用处理器(Application Processor,AP)是对接收数据进行处理的核心模块。芯片执行计算时产生的热量可能会提高智能手机背板的温度，从而导致用户体验变差。为保护用户免受低温烫伤，相关的热力学设计将45℃设定为手机背板温度的阈值。一旦手机背板温度超过该阈值，智能手机内部的温度调节器需降低芯片工作频率以降低手机背板温度。对于传统移动通信系统，由于无线传输速率相对较低，手机端处理无线接收数据对计算资源的需求量较低从而使其对手机温度的影响较小，手机背板过热则通常与本地应用中的计算密集型任务有关。然而，作为未来移动通信网络的主要特点之一，Gbps级别的高速无线传输使得无线通信的数据处理或将成为手机背板过热的导火索之一。
[0004]高速传输下基站侧的下行发送速率可能大于用户侧的最大接收速率。最大接收速率表示智能手机芯片能够对接收数据进行稳定的数据处理的速率。基于这种发送速率和接收速率不匹配的现象，能耗中断被用来描述与无线通信相关的计算过载，这种计算过载正是由于对无线接收数据处理的计算需求激增导致芯片过热时频率降低而引起的。另一方面，无人机通信在未来移动通信网络中逐渐占据重要的地位。
[0005]对于当前的研究，一方面，已有文献给出了能耗中断的基本原理，然而其在具体场景中对资源管理和系统性能的影响以及相应的优化机制尚缺乏进一步的研究。另一方面，无人机可利用毫米波频段的大规模MIMO(Multiple
‑
Input Multiple
‑
Output)技术实现高速下行传输，该场景需考虑无线传输对终端温度的影响以避免终端手机用户发生低温烫伤事故，而当前无人机通信的相关研究中并未考虑这一因素的影响。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法及系统，解决的技术问题在于：如何考虑能耗中断对大规模MIMO模式下的无人机分配给终端用户的下行传输速率进行动态调整，以避免终端用户过载，同时提高无人机的资源利用率。
[0007]为解决以上技术问题，本专利技术提供考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法，包括步骤：
[0008]S1、构建无人机通信系统；
[0009]该无人机通信系统包括一个无人机和N个终端用户，所述无人机在固定高度H
u
飞行并作为空中基站为N个终端用户提供服务；所述无人机与其终端用户间的下行传输采用毫米波频段的大规模MIMO技术；所述无人机针对不同终端用户的无线传输使用不同的带宽；
[0010]S2、确定所述无人机通信系统在通信资源分配上的目标函数：
[0011][0012]其中，R
n
(t)为终端用户n在时隙t的下行传输速率，T为总时隙数，q
u
(t+1),p(t)为优化因子，q
u
(t+1)表示所述无人机在时隙t+1的水平坐标，为所述无人机在时隙t分配给N个终端用户的传输带宽向量，p
n
(t)为所述无人机在时隙t分配给N个终端用户的发射功率向量，n∈{1,2,
…
,N}，t∈{1,2,
…
,T}，max表示最大化；
[0013]S3、确定所述无人机的约束条件，包括轨迹约束条件、带宽约束条件、功率约束条件，以及考虑用户侧的能耗中断的能耗中断约束条件；
[0014]所述能耗中断约束条件为：
[0015]C4：
[0016]其中，H(Δ
n
(t))表示终端用户n的状态，H(Δ
n
(t))＝1表示时隙t终端用户n的初始手机背板温度达到或超过安全阈值T
safe
，若未达到安全阈值T
safe
，则H(Δ
n
(t))＝0；表示终端用户n在时隙t的芯片发热功率；h
air
为空气的对流换热系数；A为终端用户n的散热片的面积；为终端用户n在时隙t的初始手机背板温度；T
env
为环境温度；
[0017]S4、根据步骤S2确定的目标函数和步骤S3确定的约束条件构建优化问题；
[0018]S5、采用深度强化学习网络对所述优化问题进行求解。
[0019]进一步地，所述深度强化学习网络在训练过程中包括步骤：
[0020]S51、设计深度强化学习网络，所述深度强化学习网络包括主网络Q和目标网络
[0021]S52、对输入参数进行初始化；
[0022]S53、获得当前时隙状态s
t
；
[0023]S54、选择s
t
所对应的时隙动作并执行，为主网络Q输出的与动作a
t
相关的向量，v
t
为主网络Q在当前时隙的参数集，为随机噪声向量，a
t
的动作向量基于q
u
(t+1),p(t)设计；
[0024]S55、获得执行动作a
t
的即时奖励r
t
和下一时隙状态s
t+1
，并将经验<s
t
,a
t
,r
t
,s
t+1
>存储到经验池X中；即时奖励r
t
由下式计算：
[0025][0026]ζ1(t)、ζ2(t)、ζ3(t)分别为针对所述带宽约束条件、所述功率约束条件和所述能耗中断约束条件的惩罚函数，λ1、λ2和λ3为对应的惩罚权重系数。
[0027]进一步地，动作a
t
对应的动作向量设计为：
[0028][0029]其中，d(t)是所述无人机在时隙t和t+1之间的水平移动距离；ξ(t)为所述无人机在水平面的移动角，在水平面的移动角，为所述无人机在时隙t分配给终端用户n的带宽，p(t)＝[p1(t),p2(t),
…
,p
N
(t)]，p
n
(t)为所述无人机在时隙t分配给终端用户n的发射功率。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法，其特征在于，包括步骤：S1、构建无人机通信系统；该无人机通信系统包括一个无人机和N个终端用户，所述无人机在固定高度H
u
飞行并作为空中基站为N个终端用户提供服务；所述无人机与其终端用户间的下行传输采用毫米波频段的大规模MIMO技术；所述无人机针对不同终端用户的无线传输使用不同的带宽；S2、确定所述无人机通信系统在通信资源分配上的目标函数：其中，R
n
(t)为终端用户n在时隙t的下行传输速率，T为总时隙数，q
u
(t+1),p(t)为优化因子，q
u
(t+1)表示所述无人机在时隙t+1的水平坐标，为所述无人机在时隙t分配给N个终端用户的传输带宽向量，p
n
(t)为所述无人机在时隙t分配给N个终端用户的发射功率向量，n∈{1,2,
…
,N}，t∈{1,2,
…
,T}，max表示最大化；S3、确定所述无人机的约束条件，包括轨迹约束条件、带宽约束条件、功率约束条件，以及考虑用户侧的能耗中断的能耗中断约束条件；所述能耗中断约束条件为：C4:其中，H(Δ
n
(t))表示终端用户n的状态，H(Δ
n
(t))＝1表示时隙t终端用户n的初始手机背板温度达到或超过安全阈值T
safe
，若未达到安全阈值T
safe
，则H(Δ
n
(t))＝0；表示终端用户n在时隙t的芯片发热功率；h
air
为空气的对流换热系数；A为终端用户n的散热片的面积；为终端用户n在时隙t的初始手机背板温度；T
env
为环境温度；S4、根据步骤S2确定的目标函数和步骤S3确定的约束条件构建优化问题；S5、采用深度强化学习网络对所述优化问题进行求解。2.根据权利要求1所述的考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法，其特征在于，在步骤S5中，所述深度强化学习网络在训练过程中包括步骤：S51、设计深度强化学习网络，所述深度强化学习网络包括主网络Q和目标网络S52、对输入参数进行初始化；S53、获得当前时隙状态s
t
；S54、选择s
t
所对应的时隙动作并执行，为主网络Q输出的与动作a
t
相关的向量，v
t
为主网络Q在当前时隙的参数集，为随机噪声向量，a
t
的动作向量基于q
u
(t+1),p(t)设计；S55、获得执行动作a
t
的即时奖励r
t
和下一时隙状态s
t+1
，并将经验&lt;s
t
,a
t
,r
t
,s
t+1
&gt;存储到经验池X中；即时奖励r
t
由下式计算：ζ1(t)、ζ2(t)、ζ3(t)分别为针对所述带宽约束条件、所述功率约束条件和所述能耗中断约束条件的惩罚函数，λ1、λ2和λ3为对应的惩罚权重系数。3.根据权利要求2所述的考虑能耗中断的无人机通信资源分配方法，其特征在于，动作
a
t
对应的动作向量设计为：其中，d(t)是所述无人机在时隙t和t+1之间的水平移动距离；ξ(t)为所述无人机在水平面的移动角，平面的移动角，为所述无人机在时...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘青海，罗佳，肖继攀，王贺，胡娟，张伟东，
申请(专利权)人：重庆控环科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：