【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线通信，特别涉及一种面向空天地一体化网络的网络资源优化方法及装置。
技术介绍
1、伴随卫星通信业务的不断壮大和网络体系的持续发展，空间网络与地面网络的融合成为一种新兴的研究方向。空间网络在覆盖范围和移动接入等方面与地面网络具有极强的互补关系，使得这一研究方向具有较广的应用范围和前景。空天地一体化网络作为一种典型的空间网络与地面网络的结合体，是以地面网络为基础，以空间网络为延伸，结合无人机中继技术，可为天基、空基、海基等用户提供服务和信息保障的综合通信系统。
2、在空天地一体化网络中，同时包含地面用户、中继无人机(uav，unmanned aerialvehicle)和低轨卫星三种不同类型的通信设备，具备通信覆盖范围广、接入设备数量多、设备间通信干扰大和区域限制条件复杂等的特点，且有较高的稳定性和可靠性需求。一方面，空天地一体化网络地面终端可经中继无人机转发，与低轨卫星进行通信；另一方面，地面终端也可选择直接与低轨卫星进行连接，建立通信链路。基于不同的传输选择，涉及网络中地面终端到无人机与低轨卫星间信道资源与传输资源的分配，要求网络具备较高的资源利用率，对现有的网络资源分配方案提出了挑战。为提高空天地一体化网络的稳定性和可靠性，降低设备通信时延与保障通信链路连接，亟需提出一种面向空天地一体化网络的网络资源分配优化算法，实现对有限带宽资源和传输功率的高效利用。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种面向空天地一体化网络的网络资源优化方法及装置，以解决现有的网
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
3、一方面，本专利技术提供了一种面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，所述面向空天地一体化网络的网络资源优化方法包括：
4、构建空天地一体化通信网络系统模型；其中，所述空天地一体化通信网络系统模型包括：低轨卫星、中继无人机以及地面智能终端；
5、以最大化系统容量为目标，构建系统上行链路中的传输资源分配模型；
6、针对构建的传输资源分配模型，通过对整数规划约束中的整数变量进行松弛，对非凸约束进行凸逼近，将非凸问题简化为凸优化问题，使用拉格朗日对偶法对问题求解；在保障系统传输容量的基础上，获取子信道选择以及传输功率分配的最优方案，以降低数据上传过程中的能源损耗，实现网络资源的最优化。
7、进一步地，在所述空天地一体化通信网络系统模型中，所有的中继无人机和地面智能终端都处于低轨卫星的覆盖范围内，所有设备共享带宽为w的信道；中继无人机和低轨卫星通信所占用的频带资源被平均分成m个部分，从而使每个中继无人机在不同的频带中工作；每个中继无人机所占用的频带资源被划分为k个子信道，每个中继无人机均能够为一组地面智能终端提高数据传输服务，将来自地面智能终端的信息转发至低轨卫星，低轨卫星的轨道高度为hs，中继无人机与低轨卫星间的通信视为视线传输，信道衰落为rice衰落。
8、进一步地，简化后的问题表示为：
9、p
10、c1
11、c2
12、c3
13、c4
14、c5
15、c6
16、c7
17、c8
18、其中，为整数变量松弛后的系统容量，代表单位时间内地面智能终端借助中继无人机成功向低轨卫星传输的总比特数；为在第k个子信道中从第n个地面智能终端到第m个中继无人机的传输功率；表示地面智能终端的最大传输功率；为第m个中继无人机与低轨卫星间通信的传输功率；为中继无人机的悬停功率；an,m,k表示为第n个地面智能终端和第m个中继无人机之间的信道选择，当an,m,k＝1表示第n个地面智能终端占用第m个中继无人机网络中的第k个子信道，否则an,m,k＝0；表示第m个中继无人机的第k个子信道上第n个地面智能终端到低轨卫星的上行链路容量；表示低轨卫星所能接收到的最大传输容量；a表示信道选择矩阵；p表示所有地面智能终端的功率控制矩阵；m表示中继无人机个数；n表示地面智能终端个数；表示表示中继无人机的最大发射功率；表示中继无人机维持悬停所需的最小功率；cmin表示保障地面智能终端服务质量的最小传输容量；表示低轨卫星的最大容量。
19、进一步地，c1～c5是对通信网络系统中传输功率的限制，c7限制了终极无人机与地面智能终端间的信道选择，以确保不同设备间的通信不会相互干扰，c6和c8限制了空天地一体化通信网络系统中传输容量的最小值和最大值。
20、进一步地，所述使用拉格朗日对偶法对问题求解，包括：
21、步骤一：初始化拉格朗日变量、最大迭代次数、信道增益、功率控制矩阵、信道选择矩阵、地面智能终端位置、中继无人机位置以及低轨卫星位置，计算初始功率，使得初始功率的值大于0；
22、步骤二：构建拉格朗日对偶函数，求取关于和的偏导数，基于kkt条件，更新地面智能终端和无人机功率的最优值；
23、步骤三：求取关于an,m,k的偏导数，基于kkt条件，更新子信道分配中信道选择方案的最佳值；
24、步骤四：更新拉格朗日乘子；
25、步骤五：判断迭代次数是否小于最大次数，若小于，则重复步骤二到步骤四；否则结束循环，输出地面智能终端和无人机功率以及子信道分配的最优解。
26、进一步地，所述拉格朗日对偶函数表示为：
27、
28、其中，a＝{an,m,k}，μ,ν,ω,ε,η是与约束相关的拉格朗日乘数；μn，νm，ωn，εm,k，η为拉格朗日乘子；表示第k个子信道中第n个地面智能终端到第m个无人机的传输功率；
29、的偏导数的计算公式为：
30、
31、
32、其中，表示在第k个子信道中从第n个地面智能终端到第m个中继无人机的信道增益；表示来自第m个中继无人机的低轨卫星接收噪声；
33、其中，n、m、k满足以下条件：
34、
35、其中，表示第k个子信道中第n个地面智能终端到第m个无人机的传输功率的最优解；(ρd→u)*表示地面智能终端到无人机的功率控制的最优解；
36、的偏导数的计算公式为：
37、
38、其中表示从第m个中继无人机到低轨卫星的信道增益；表示来自第n个地面智能终端的中继无人机接收噪声，为加性高斯白噪声；
39、其中，m满足以下条件：
40、
41、其中，表示第m个无人机到低轨卫星的功率控制的最优解；
42、an,m,k的偏导数的计算公式为：
43、
44、其中，
45、考虑约束条件c7，an,m,k的最优解(an,m,k)*满足条件如下：
46、
47、在所述通信网络系统模型中，要求每个中继无人机网络在一个时隙内最多有一个地面智能终端访问同一本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，在所述空天地一体化通信网络系统模型中，所有的中继无人机和地面智能终端都处于低轨卫星的覆盖范围内，所有设备共享带宽为W的信道；中继无人机和低轨卫星通信所占用的频带资源被平均分成M个部分，从而使每个中继无人机在不同的频带中工作；每个中继无人机所占用的频带资源被划分为K个子信道，每个中继无人机均能够为一组地面智能终端提高数据传输服务，将来自地面智能终端的信息转发至低轨卫星，低轨卫星的轨道高度为HS，中继无人机与低轨卫星间的通信视为视线传输，信道衰落为Rice衰落。
3.如权利要求2所述的面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，简化后的问题表示为：
4.如权利要求3所述的面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，C1～C5是对空天地一体化通信网络系统中传输功率的限制，C7限制了终极无人机与地面智能终端间的信道选择，以确保不同设备间的通信不会相互干扰，C6和C8限制了空天地一体化通信网络系统中
5.如权利要求4所述的面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，所述使用拉格朗日对偶法对问题求解，包括：
6.如权利要求5所述的面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，所述拉格朗日对偶函数表示为：
7.如权利要求5所述的面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，所述拉格朗日乘子采用次梯度方法进行更新，更新公式为：
8.一种面向空天地一体化网络的网络资源优化装置，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，在所述空天地一体化通信网络系统模型中，所有的中继无人机和地面智能终端都处于低轨卫星的覆盖范围内，所有设备共享带宽为w的信道；中继无人机和低轨卫星通信所占用的频带资源被平均分成m个部分，从而使每个中继无人机在不同的频带中工作；每个中继无人机所占用的频带资源被划分为k个子信道，每个中继无人机均能够为一组地面智能终端提高数据传输服务，将来自地面智能终端的信息转发至低轨卫星，低轨卫星的轨道高度为hs，中继无人机与低轨卫星间的通信视为视线传输，信道衰落为rice衰落。
3.如权利要求2所述的面向空天地一体化网络的网络资源优化方法，其特征在于，简化后的问题表示为：
4....
【专利技术属性】
技术研发人员：张海君，夏清悦，梁琰，刘占献，张晓奇，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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