[发明专利]基于协同异构空中网络的位置优化和资源分配方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于协同异构空中网络的位置优化和资源分配方法及系统，构建小区通信模型；基于小区通信模型构建HABS与用户之间以及LABS与用户之间的信息传输机制；基于小区通信模型和信息传输机制，确立无人机与各用户之间的传输速率及小区内总传输速率，建立通信约束机制；构建系统吞吐量最大化的优化目标与约束条件；将优化问题分解为LABSs位置优化和各无人机资源分配优化子问题；基于分解的优化目标与约束条件，采用粒子‑鱼群优化算法求解位置优化问题，以覆盖用户数最多为目标，求解LABSs的位置，完成位置优化；基LABS位置，利用匹配算法和拉格朗日对偶分解算法优化各无人机的资源分配方案，实现资源分配。本发明提高了吞吐量，提升了系统性能。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于协同异构空中网络的位置优化和资源分配方法及系统。

背景技术

近年来，无人机通信引起了广泛的关注，它可以作为空中基站为边远地区提供广域覆盖。由于在无人机和地面用户之间存在较少的阻碍，空中网络更容易建立可视链路(LOS)。此外，可以根据用户的分布动态地调整无人机的位置和轨迹来提高网络的性能，这是地面网络无法比拟的。这些优势使得无人机在未来的无线网络中有着巨大的发展潜力，空中网络将会是6G中一个重要的组成部分。

如何优化系统参数(例如：位置，轨迹，信道，功率等)对无人机基站是相关重要的。现有技术一提出了一种按需-密度驱动的无人机三维布局方法，在最小速率要求约束下实现覆盖用户数最大化。现有技术二提出了一个流级模型(flow-level model)来真实描述无人机空中基站性能，并采用深度强化学习方法优化无人机的轨迹。现有技术三提出了一种双频机载接入网络，并基于在此网络上测得的信道特征设计一种信道-功率联合优化的方法。现有技术四将无人机作为中继来增强覆盖或者作为传感器的数据收集器。尽管在无人机通信系统的参数优化方面有着大量的研究工作，很少有研究聚焦于异构空中网络。采用低频波段的高空无人机基站(HABS)能够实现广域覆盖，采用高频波段的低空无人机基站(LABS)能够辅助高空无人机基站，支持高质量的通信。因此，相比于同构网络，HABS和LABS协同异构网络能够提供更好的通信质量。

协同异构空中网络存在的挑战：挑战一：异构网络中高低空无人机协同工作，高空无人机与用户距离远但是LoS链路通信质量好，低空无人机与用户距离近但采用高频波段路径损耗较大，因此对用户的接入分配是十分有必要的，在决策时要对无人机的优势进行合理的开发，选取合适的用户分配方案；挑战二：由于环境因素对信道质量的影响很大，使用不同的信道数据传输路径损耗有很大的差别，因此要设计合适的信道分配方案，降低环境的影响，减小系统路径损耗；挑战三：要在保证用户最低速率需求的前提下最大化系统吞吐量，各无人机的功率分配是非常重要的，要避免将资源耗费在对提升系统性能作用不大的用户上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于协同异构空中网络的位置优化和资源分配方法及系统，使得高低空无人机协作，在保证用户公平性的前提下，提高整个小区的传输速率。

本发明采用以下技术方案：

基于协同异构空中网络的位置优化和资源分配方法，包括以下步骤：

S1、构建包括一个HABS、N个LABS和M个用户的小区通信模型；

S2、基于步骤S1构建的小区通信模型构建HABS与用户之间以及LABS与用户之间的信息传输机制；

S3、基于步骤S1构建的小区通信模型和步骤S2构建的信息传输机制，确立无人机与各用户之间的传输速率及小区内总传输速率；

S4、基于步骤S1构建的小区通信模型和步骤S2构建的信息传输机制，建立通信约束机制；

S5、基于步骤S3和步骤S4构建系统吞吐量最大化的优化目标与约束条件；