[发明专利]一种空地融合通信网络中的协同数据分发方法

说明书

本发明提出一种空地融合通信网络中的协同数据分发方法。空地融合通信网络架构下协同数据分发的优化问题建模；优化问题分析推导；优化地面通信与无人机通信的协调机制；优化频谱资源分配和无人机的飞行状态；协同数据分发优化。本发明通过协调地面无线通信网络与无人机通信网络，优化频谱资源分配和无人机的飞行状态，实现显著提升数据分发的性能，以及频谱资源的高效利用和无人机的节能飞行。

技术领域

本发明属于认知无线电与无人机通信技术领域，具体涉及一种空地融合通信网络中的协同数据分发方法。

背景技术

现如今，无线通信业务量的剧增与无线频谱资源的紧缺给无线通信网络的发展带来了极大的挑战。传统的地面无线通信网络愈发难以应对与日俱增的海量多媒体业务，以及移动用户的动态变化和不均衡分布。无人机的灵活部署能力以及空地直射链路的理想特性使得无人机通信成为一种极具前景的通信方式，有效地弥补了地面无线通信网络的不足。空地融合通信网络通过充分地发掘地面无线通信网络与空中无人机通信网络的优势，为解决目前无线通信网络面临的严峻挑战提供了有力的支撑。

传统的数据分发方法主要依赖于地面无线通信网络中的基站部署，当基站与地面节点之间信道状况良好时，这种方式可以为近距离的节点提供高速率的数据分发。然而，当节点处于基站信号难以覆盖的偏远地区，或者基站与地面节点之间由于障碍物的遮挡使得通信链路的建立受阻时，传统的地面无线通信网络将无法有效地实现数据分发。不同于传统的地面无线通信网络中的数据分发方法，本发明提出一种空地融合通信网络架构下的协同数据分发方法，该方法充分发挥地面无线通信和无人机通信的优势来为地面节点分发数据。相比而言，协同数据分发方法能够有效地克服现有数据分发方法的不足，具有提高数据分发性能显著、应用范围广泛、对地形等环境因素不敏感、对地面节点的动态变化和不均衡分布适应性强等特点。

目前，对空地融合通信网络这一前沿性领域的研究仍然处于初级阶段，空地融合通信网络下的协同数据分发仍然面临一系列技术挑战：(1)地面无线通信网络和无人机通信网络之间的合作与协调(2)空地融合通信网络中的频谱资源优化，实现频谱资源高效利用(3)无人机的飞行状态规划，实现改善空地链路的通信性能和无人机的节能飞行。

发明内容

本发明针对现有的地面无线通信网络中的数据分发方法难以应对节点分布位置偏远，以及基站与节点之间通信链路易受地形环境影响的问题，提出一种空地融合通信网络架构下的协同数据分发方法。该方法通过协调地面无线通信网络与无人机通信网络，优化频谱资源分配和无人机的飞行状态，实现显著提升数据分发的性能，以及频谱资源的高效利用和无人机的节能飞行。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种空地融合通信网络中的协同数据分发方法，优化目标是性能最差的地面节点在所有时隙上接收到的数据总量；优化变量包括在每个时隙n＝1,...,N上，基站和无人机对所有地面节点的调度与关联情况s_k,n，无人机通信和地面通信的频谱资源分配比例ρ_n，以及无人机在每个时隙n＝1,...,N上的飞行轨迹q_n、飞行速度v_n和加速度a_n；约束条件包括：无人机的飞行状态约束；(2)地面基站和无人机之间的协调关系约束；(3)无人机的能耗约束；

假设地面基站和无人机以协作的方式为K个地面节点分发数据，规定地面基站所处的位置为坐标原点(0,0)，地面节点的位置已知，第k个地面节点的位置为w_k＝[x_k,y_k]；无人机在高度为H的平面上飞行；在t时刻，无人机的飞行轨迹在水平面上的投影为q(t)＝[x_u(t),y_u(t)]；假定地面基站和无人机需要在时间T内完成数据分发的任务，将时间T离散化成N+1个时隙，每个时隙的长度为δ_t，因而任意时刻0≤t≤T可表示为t＝nδ_t,n＝1,...,N+1；在第n个时隙，无人机的飞行轨迹为q_n＝[x_u,n,y_u,n]；