一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法技术

一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法，建立了一种由终端接入层、无人机中继层与回程链路层构成的三层异构网络容量分析模型。在模型中，终端经过无人机的中继作用连接到可用基站。首先采用随机几何的方法将地面异构终端建模为泊松点过程，利用泊松点过程的性质分析了采用NOMA的终端接入层的遍历容量闭合表达式。然后通过引入能够避免无人机簇间干扰的跳频机制，提出了一种基于中继无人机速率满意度函数的资源分配方案，对多跳传输的中继链路层容量进行分析。最后在回程链路中，回程无人机与BS的通信采用一种支持SDMA的基于独立非正交波束通信的模型，以此推导了回程链路的容量闭合表达式。导了回程链路的容量闭合表达式。导了回程链路的容量闭合表达式。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法


[0001]该专利技术涉及通信网络
，具体涉及一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法。

技术介绍

[0002]未来的6G将会是“空天地海一体化”、“分布式自组织”、“资源按需分配”的网络，而能够为灾害、应急场景下的感知、连接、计算等需求提供支撑。在发生局部地区的小型灾害时，部分宏蜂窝网络等基础设施会出现功能下降甚至毁灭性打击而不能满足灾区的通信需求。相较于大范围的自然灾害，局部地区的小型灾害更为常见且难以预测，且因及时救援而挽回的经济损失是很可观的。因此在这种情况下，受害者的求救信号与生存情况、物联网设备的环境测量信息的上传是至关重要的。移动信息网络可以通过及时构建可靠且高性能的应急通信网络来满足灾区通信需求。
[0003]无人机因其灵活的移动性，现已被广泛用作应急场景下的中继基站。针对无人机中继的应急通信场景，现有研究通过设计优化方法，找到无人机最优部署位置，以达到最优的通信性能；通过设计上行链路吞吐量的优化模型，联合优化多种因素使网络吞吐量最大；采用D2D技术，分析信息多跳传输下的时延性能；采用非正交多址接入技术，提升单个无人机在应急通信下的频谱效率。
[0004]但是现有研究在优化网络吞吐速率时都是根据节点对网络吞吐速率的提升效益分配资源。而在多跳的上行场景中会导致通信资源大多集中在靠近信宿的高层节点中，而低层节点因为中继传输导致其对网络的吞吐速率提升效益低，分配到的通信资源较少。此外，目前的研究还没有建立三层异构网络的容量分析模型。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决基站功能受损场景下的应急通信容量评估问题，在于分别通过随机几何方法解决了非正交多址接入下的终端接入层遍历容量的闭合表达式求解问题，通过设计最优化问题解决了多跳的无人机中继层容量分析问题，通过分析采用独立波束的回程链路解决了回程链路层的容量闭合表达式求解问题。
[0006]一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法，该方法步骤如下：
[0007]步骤1，对于包含终端接入层、无人机中继层、回程链路层的三层异构通信系统，根据异构终端的分布密度、无人机的飞行高度、接入门限与信号处理能力、高斯白噪声谱密度、终端接入层频带宽度、瑞丽衰落信道的信道系数与衰落因子，计算出终端接入层的遍历容量
[0008]步骤2，根据无人机簇的跳频序列、无人机位置关系与路由信息、瑞丽衰落信道下的信道系数与衰落因子，初始化如下参数：平均持续系数N
p
、各个跳频子信道的带宽与
其在跳频序列中所占比例τ
k
、每跳链路的平均可达速率
[0009]步骤3，根据初始化的参数，以满意度函数为目标函数、以各个信息流所占用的通信资源量为决策变量、以工作机制的限制条件做为约束，形成最优化问题；
[0010]步骤4，将优化问题按照决策变量之间的约束关系，将其转换为一个线性规划问题，该问题的最优解即为满意度最高时的资源分配情况，得到无人机中继层的容量
[0011]步骤5，根据多个回程无人机与基站之间的位置关系以及波束方向图，计算出扰增益，进而得到闭合表达式；代入干扰增益、回程链路层频带宽度以及瑞丽衰落信道下的信道系数与衰落因子，得到回程链路的容量
[0012]步骤6，将所求得的三层的网络容量比较，最小一层的网络容量即为整个系统的网络容量。
[0013]进一步地，三层异构通信系统中，地面的终端经过多架中继无人机将信号回程至可用基站，实现灾害场景下的应急通信；其中，表示地面终端接入层的容量，即所有中继无人机使用非正交多址接入与多个地面终端通信的容量的遍历容量之和，R表示中继无人机的集合；表示无人机中继层的容量，即所有中继无人机与所在簇的回程无人机的多跳吞吐速率之和；表示回程链路层的容量，即所有回程无人机与基站通信的回程链路容量之和。
[0014]进一步地，步骤1中，使用随机几何的方法，将地面异构终端的分布建模为泊松点过程，利用泊松点过程的性质推导了采用非正交多址接入通信下，与无人机的距离排序位次为k的终端的覆盖概率P
k
(τ)与遍历容量R
k
的数学期望；具体闭合表达式如下所示：
[0015][0016][0017]终端接入层的网络容量表示为
[0018][0019]进一步地，步骤2中，无人机中继层包括对地面终端与空中无人机通信的中继无人机，和对空中无人机与地面基站通信的回程无人机；一个回程无人机作为簇头与多个中继无人机形成一个多跳连接的无人机簇，簇内采用跳频序列与CSMA/CA的方式避免簇间与簇
内干扰。
[0020]进一步地，步骤2中，结合系统的时分的资源利用方式，设定具有三个参数的变量表示无人机U
i
的信息流单位时间内在链路L
j
上占用信道F
k
的通信资源归一化比例；将其与对应链路、瑞丽衰落信道下的可达速率结合，求得该信息流在该跳链路上的传输速率
[0021]进一步地，步骤3中，结合簇内层级组网、簇间跳频机制、无人机的单发单收的全双工工作机制所产生的约束，形成一个关于簇内吞吐量的最优化问题，簇内吞吐量的上界即为容量；优化问题如下所示：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027]进一步地，步骤3中，设定表征中继无人机的速率满意程度的函数，将其作为目标函数，用来提高跳数高的中继无人机分配资源时的权重，使得无人机中继层资源并非集中在靠近回程无人机的中继无人机，资源分配平均；满意度函数表示为以下形式：
[0028][0029]其中a>0。
[0030]进一步地，步骤4中，将步骤3所形成优化问题转换为一个线性规划问题，该线性规划问题存在最优解，记为即为无人机中继层网络容量。
[0031]进一步地，步骤5中，在基站处部署多址阵列天线，实现同时与多个发射独立波束的回程无人机通信；推导发射与接收波束图分别为时的回程无人机间的干扰增益：
[0032][0033]以此得到回程无人机在瑞丽衰落信道下的容量闭合表达式为：
[0034][0035]回程链路层网络容量表达式为：
[0036][0037]进一步地，步骤6中，给出该三层异构网络的容量表达式：
[0038][0039]本专利技术相比现有技术,具有以下有益效果：
[0040](1)应用了跳频机制，能够避免干扰；(2)本专利技术的容量分析方法考虑影响因素更为全面，分析结果更加符合网络特性。
附图说明
[0041]图1是本专利技术实施例中的三层异构网络结构示意图。
[0042]图2是本专利技术实施例中的特定跳频序列下两个无人机簇的时序资源图。
[0043]图3是本专利技术实施例中的回程链路层波束示意图。
[0044]图4是本专利技术实施例中的参数设定及物理意义示意表。
具体实施方式
[0045]下面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法，其特征在于：方法包括如下步骤：步骤1，对于包含终端接入层、无人机中继层、回程链路层的三层异构通信系统，根据异构终端的分布密度、无人机的飞行高度、接入门限与信号处理能力、高斯白噪声谱密度、终端接入层频带宽度、瑞丽衰落信道的信道系数与衰落因子，计算出终端接入层的遍历容量步骤2，根据无人机簇的跳频序列、无人机位置关系与路由信息、瑞丽衰落信道下的信道系数与衰落因子，初始化如下参数：平均持续系数N
p
、各个跳频子信道的带宽与其在跳频序列中所占比例τ
k
、每跳链路的平均可达速率步骤3，根据初始化的参数，以满意度函数为目标函数、以各个信息流所占用的通信资源量为决策变量、以工作机制的限制条件做为约束，形成最优化问题；步骤4，将优化问题按照决策变量之间的约束关系，将其转换为一个线性规划问题，该问题的最优解即为满意度最高时的资源分配情况，得到无人机中继层的容量步骤5，根据多个回程无人机与基站之间的位置关系以及波束方向图，计算出干扰增益，进而得到闭合表达式；代入干扰增益、回程链路层频带宽度以及瑞丽衰落信道下的信道系数与衰落因子，得到回程链路的容量步骤6，将所求得的三层的网络容量比较，三项中最小的一个网络容量作为整个系统的网络容量。2.根据权利要求1所述的一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法，其特征在于：三层异构通信系统中，地面的终端经过多架中继无人机将信号回程至可用基站，实现灾害场景下的应急通信；其中，表示地面终端接入层的容量，即所有中继无人机使用非正交多址接入与多个地面终端通信的容量的遍历容量之和，表示中继无人机的集合；表示无人机中继层的容量，即所有中继无人机与所在簇的回程无人机的多跳吞吐速率之和；表示回程链路层的容量，即所有回程无人机与基站通信的回程链路容量之和。3.根据权利要求2所述的一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法，其特征在于：步骤1中，使用随机几何的方法，将地面异构终端的分布建模为泊松点过程，利用泊松点过程的性质推导了采用非正交多址接入通信下，与无人机的距离排序位次为k的终端的覆盖概率P
k
(τ)与遍历容量R
k
的数学期望；具体闭合表达式如下所示：
式中r2为积分微元，对应dr；B1表示设备接入层的带宽，整个模型的三层将所有可用带宽分为三个部分，即B1，B2，B3；终端接入层的网络容量表示为下式：式中，代表集合中元素的个数，N
ps
代表无人机同时处理的地面终端信号数量。4.根据权利要求1所述的一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法，其特征在于：步骤2中，无人机中继层包括对地面终端与空中无人机通信的中继无人机，和对空中无人机与地面基站通信的回程无人机；一个回程无人机作为簇头与多个中继无人机形成一个多跳连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓荣，苏展，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：